Тебекин В.В. Теоретические основы компьютерных информационных технологий

Подождите немного. Документ загружается.

Закрытая архитектура – архитектура, спецификации которой не

опубликованы либо в них не предусмотрено подключение в устройствах

дополнительных плат. Закрытая архитектура не дает возможности другим

производителям выпускать для компьютеров дополнительные внешние

устройства, она совместима только с аппаратным и/или программным

обеспечением одного производителя.

Распределенная архитектура – архитектура мэйнфреймов. Мэйн-

фрейм (Mainframe) – главный высокопроизводительный компьютер обще-

го назначения со значительным объемом оперативной и внешней памяти,

предназначенный для выполнения интенсивных вычислительных работ.

Обычно с мэнфреймом работают множество пользователей, каждый из ко-

торых располагает лишь терминалом, устройством, лишенным собствен-

ных вычислительных мощностей и предназначенным для ввода команд и

индикации информации.

Конфигурация (от позднелат. configuratio – придание формы, распо-

ложение) означает внешний вид, очертание, образ; взаимное расположе-

ние, соотношение составных частей сложных предметов. Применительно к

компьютерной технике конфигурация определяет совокупность элементов,

частей, устройств, из которых она состоит.

Качество ТО информационных систем характеризуется рядом количе-

ственных параметров. Минимальная единица измерения количества пере-

даваемых или хранимых данных, соответствующая одному двоичному

разряду, способному принимать значения 0 или 1, называется бит (bit –

англ. Binary – двоичная и Digit – цифра).

Наименьшая адресуемая единица данных в цифровых устройствах,

обрабатываемая как единое целое, называется байт. По умолчанию байт

считается равным 8 битам. Обычно в системах кодирования данных байт

представляет собой код одного печатного или управляющего символа.

Таким образом, производные единицы количества данных имеют сле-

дующие соотношения:

1 байт = 8 бит;

1 Кбайт (килобайт) = 210= 1024 байт;

1 Мбайт (мегабайт) = 210 = 1024 Кбайт;

1 Гбайт (гигабайт) = 210 = 1024 Мбайт;

1 Тбайт (терабайт) = 210 = 1024 Гбайт;

1 Пбайт (петабайт) = 210 = 1024 Тбайт.

С учетом этого качество технического обеспечения ИС характеризуют

следующими основными количественными параметрами:

– объем оперативной памяти ПК (рабочих станций) ИС, который

в настоящее время составляет 8 Мбайт …1 Гбайт;

– объем памяти накопителей рабочих станций и периферийных

устройств ИС, который может составлять по отдельности от 1,44 Мбайт до

десятков Гбайт;

– тактовая частота процессора – частота выполнения элементарных

операций в процессоре. Частота – это количество колебаний материального

объекта за период времени. Обычно в качестве периода выбирают 1 с, тогда

единицей измерения частоты является 1 Герц (Гц). Производные параметры:

1 КГц = 1000 Гц; 1 МГц =1000 КГц; 1ГГц = 1000 МГц. Процессоры ПК, вхо-

дящие в современные ИС, могут иметь f

= 4,77 МГц…2 ГГц и более.

Как правило, чем выше тактовая частота процессора (количество так-

тов процессора в секунду), тем шире возможности работы пользователя с

приложениями различного рода и коммуникаций;

– количество операций, выполняемых процессором за единицу

времени (обычно количество операций в секунду). Если под операцией по-

нимать отработку одного периода тактовой частоты, то, очевидно, N

соот-

ветствует тактовой частоте.

Однако применяются и другие показатели производительности про-

цессора компьютера, например в единицах MIPS, MFLOPS [36]:

MIPS (миллион команд в секунду) – единица измерения производи-

тельности процессора. В общем случае MIPS – скорость операций в еди-

ницу времени, т. е. для любой данной программы MIPS есть просто отно-

шение количества команд в программе к времени ее выполнения. Таким

образом, производительность может быть определена как обратная к вре-

мени выполнения величина, причем более быстрые машины при этом бу-

дут иметь более высокий рейтинг MIPS;

MFLOPS (миллион чисел – результатов вычислений с плавающей точ-

кой в секунду, или миллион элементарных арифметических операций над

числами с плавающей точкой, выполненных в секунду) – показатель произ-

водительности процессора (применяется обычно для научно-технических

задач);

– частота системной шины – частота, определяющая обмен дан-

ными через системную шину материнской платы. ПК, входящие в совре-

менные ИС, могут иметь 4,77 …533 МГц и более;

– время доступа к оперативной памяти (ОП), данный параметр

может составлять 0,5…20 нс (наносекунд: 1с = 109 нс ). Если это время пе-

ревести в частоту, то можно получить частоту работы ОП F

= 4,77…200

и более MГц;

– средняя скорость передачи данных в телекоммуникационных

элементах сети: V

=W/

t, где W - объем переданной информации,

t –

период времени передачи. Единицей измерения V

служит бит в секунду

или Бод – единица скорости передачи информации, равная количеству

двоичных разрядов, пропускаемых каналом связи в 1 секунду с учетом и

полезной и служебной информации (названа в честь французского изобре-

тателя Ж. М. Бодо). Таким образом V

измеряется в бит/сек (Бод), Кбит/с

(КБод), Мбит/с (МБод) и т. д. В настоящее время обеспечиваются V

от 10

Мбит/с до единиц Гбит/с;

T – трафик канала связи (коммуникации) – объем информации, про-

шедшей по каналу со скоростью V за время

t . При равномерной скоро-

сти T = V

× D

t и при неравномерной скорости

.)(

dttVТ

Различают входящий трафик T

– это объем информации, приходящей

на компьютер из сети, и исходящий T

– объем информации, уходящий с

компьютера в сеть. В связи с этим различают симметричный канал (T

= T

) и

несимметричный (T

);

– разрешающая способность устройств ввода и вывода данных –

измеряется в dpi (dpi( dots per inch) – количество точек на дюйм); (дюйм -

мера длины: 1 дюйм = 1/12 фута =10 линий = 1/28 аршина = 2,52 см ). S

может составлять от 150 до 3000 dpi;

D – динамический диапазон устройств ввода и вывода данных – изме-

ряется как логарифм отношения яркости наиболее светлых участков изо-

бражения к яркости наиболее темных участков:

D = P

max

/ P

min

, или в децибелах

D = 10 lg ( P

max

/ P

min

где P

max, min

– максимальное и минимальное значения мощности сигнала.

Этот показатель может составлять соответственно от 1,8 до 3,5 или от

2,55 до 5,44 Дб;

– разрешающая способность оптических средств вывода информа-

ции, которая определяется при графическом представлении объекта в виде

множества точек. Единицей измерения является пиксел (Pixel) – неделимая

точка в графическом изображении растровой графики. Пиксел характери-

зуется прямоугольной формой и размерами, определяющими пространст-

венное разрешение изображения. Так, количество до 1 млн. пикс формиру-

ет разрешение 640×480, 800×600, 2 млн. пикс. формирует разрешение

1600×1200, 3 млн. обеспечивают разрешение изображения 1920×1600 и

2048×1536 и более.

Параметры, характеризующие питание устройств информационной

системы, – стабильность напряжения и частоты в электрической сети. Ка-

чество данных параметров обычно обусловлено наличием специальных

устройств, обеспечивающих бесперебойное питание (сетевые фильтры, ис-

точники бесперебойного питания и т. п.).

Качество аппаратного обеспечения непосредственно связано со стои-

мостью системы. Поэтому при организации аппаратного обеспечения не-

обходимо проводить анализ необходимых элементов по критерию стои-

мость – эффективность.

3. Программное обеспечение информационных систем

3.1. Программная конфигурация

Решение любой задачи в ИС происходит по определенному алгорит-

му. Алгоритм – это точное предписание исполнителю совершить опреде-

ленную последовательность действий для достижения поставленной цели

за конечное число шагов [30]. В компьютерной информационной системе

алгоритм выполняется с помощью различных программ.

Программы – это упорядоченные последовательности команд, вы-

полняемых аппаратной частью ИС. Конечная цель любой компьютерной

программы – управление аппаратными средствами, так как программа ра-

ботает, взаимодействуя с оборудованием ИС [34]. Как было показано ра-

нее, программное обеспечение (Software) ИС – совокупность программ

для реализации целей и задач информационной системы, а также нормаль-

ного функционирования комплекса технических средств.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в не-

разрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то, что

эти две категории рассматриваются отдельно, нельзя забывать, что между

ними существует диалектическая связь и раздельное их рассмотрение яв-

ляется по меньшей мере условным.

Состав программного обеспечения вычислительной системы называ-

ют программной конфигурацией [34] (рис.3.1).

Между программами, как и между физическими узлами и блоками,

существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на про-

граммы более низкого уровня и взаимодействуя с ними через межпро-

граммный интерфейс. Возможность существования такого интерфейса за-

висит от выполнения технических условий и протоколов взаимодействия

между программным обеспечением различного уровня.

Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидаль-

ную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное

обеспечение предшествующих уровней. Такое деление удобно для всех

этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ

до практической эксплуатации и технического обслуживания. Каждый

вышележащий уровень повышает функциональность всей системы. Так,

например, вычислительная система с программным обеспечением базового

уровня не способна выполнять большинство функций, но зато позволяет

установить системное программное обеспечение.

Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения

представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимо-

действие с базовыми аппаратными средствами. Базовые программные

средства, как правило, непосредственно входят в состав базового оборудо-

вания и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными

запоминающими устройствами – ПЗУ (Read Only Memory – ROM). Про-

граммы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на

этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

Рис. 3.1

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во

время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микро-

схем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие

устройства – ППЗУ (Erasable and Programmable Read Only Memory –

EPROM). В этом случае изменение содержания ППЗУ можно выполнять

как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология

называется флэш-технологией), так и вне ее, на специальных устройствах,

называемых программаторами.

Набор данных программ носит название базовой системы ввода – вы-

вода (Basic Input/Output System – BIOS). BIOS выполняет:

инициализацию основных компонентов материнской платы и под-

ключенных к ней устройств;

обслуживание системных прерываний (аппаратных и программных),

т. е. определяет режимы взаимодействия базовых устройств;

определяет накопитель и считывает с него в оперативное запоминаю-

щее устройство (ОЗУ) начальный загрузчик (Boot Record).

Системный уровень. Системное программное обеспечение управляет

всеми ресурсами ЭВМ и осуществляет общую организацию процесса обра-

ботки информации и интерфейс ЭВМ с проблемной средой: с аппаратным

обеспечением и с пользователем. Поэтому программы системного уровня

можно условно разделить на два класса. Первый класс программ отвечает за

взаимодействие с устройствами системы. Так, например, при подключении к

вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна

быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимо-

связь с этим оборудованием. Программы, отвечающие за взаимодействие с

конкретными устройствами, называются драйверами (Driver) устройств, и они

входят в состав программного обеспечения системного уровня.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодейст-

вие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вво-

дить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать

результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют

средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напря-

мую зависят удобство работы с компьютером и производительность труда

на рабочем месте.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует

ядро операционной системы компьютера.

Системный уровень – переходный. Программы, работающие на этом

уровне, обеспечивают взаимодействие остальных программ компьютерной

системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным

обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции. От про-

граммного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные

показатели всей вычислительной системы в целом. Если компьютер осна-

щен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготов-

лен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию про-

граммных средств с оборудованием и пользователем. То есть наличие ядра

операционной системы – непременное условие для возможности практиче-

ской работы человека с вычислительной системой.

Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимо-

действует как с программами базового уровня, так и с программами сис-

темного уровня. Основное назначение служебных программ (их также на-

зывают утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке

и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются

для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые

служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изна-

чально включают в состав операционной системы, но большинство слу-

жебных программ являются для операционной системы внешними и слу-

жат для расширения ее функций.

В разработке и эксплуатации служебных программ существует два аль-

тернативных направления: интеграция с операционной системой и автоном-

ное функционирование. В первом случае служебные программы могут из-

менять потребительские свойства системных программ, делая их более

удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с

системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю

больше возможностей для персональной настройки их взаимодействия с ап-

паратным и программным обеспечением.

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня

представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых

на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих

заданий необычайно широк – от производственных до творческих и раз-

влекательно-обучающих. Огромный функциональный диапазон возмож-

ных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием

прикладных программ для разных видов деятельности.

Поскольку между прикладным программным обеспечением и систем-

ным существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается на вто-

рое), то можно утверждать, что универсальность вычислительной системы,

доступность прикладного программного обеспечения и широта функцио-

нальных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используе-

мой операционной системы, от того, какие системные средства содержит

ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие компонентов триединого

комплекса: человек ® программы ® оборудование.

Современный рынок ПО формируется в соответствии с потребностя-

ми пользователей и условиями распространения ПО.

По условиям распространения ПО можно разделить на:

лицензионное ПО, закупаемое у официальных дилеров – производи-

телей программных продуктов и сопровождаемое ими;

свободно распространяемое ПО (Freeware) – большинство файлов

можно заказать по почте и Интернету;

условно-бесплатное (Shareware) ПО. Условие распространения Share-

ware означает: попробуй и заплати. Поэтому данный вид ПО обладает ог-

раниченными возможностями и обычно функционирует только в течение

определенного промежутка времени.

3.2. Операционные системы и их классификация

Операционная система (ОС) – это набор аппаратно-программных

средств, обеспечивающий решение всего комплекса следующих задач [34]:

– приведение компьютера и системы целом в рабочее состояние (за-

грузка);

– управление его внутренними ресурсами;

– организация структуры размещения данных на накопителях и эле-

ментах системы;

– обеспечение доступа к данным;

– формирование интерфейса пользователя.

Структура операционной системы

Структура ОС показана на рис. 3.2. Операционная система состоит из

нескольких отдельных программных блоков (модулей). Одни из них нахо-

дятся в ПЗУ на материнской плате, другие размещаются на дисковом на-

копителе.

Я Д Р О

Утилиты

Драйверы

Процессор

Программный

уровень

Аппаратный

уровень

Память

Системная шина

Коммуникационные

порты и каналы

Внешние

устройства

BIOS

Рис 3.2

Основой ОС служит ядро, состоящее из программ, собственно и опре-

деляющих в понимания пользователя операционную систему. Эти про-

граммы устанавливаются с любого носителя, выстраивая операционную

систему на базе BIOS и конкретных устройств аппаратного уровня. После

установки программные модули ядра размещаются на винчестере или дру-

гих накопителях (CD-R или гибкой дискете).

Комплекс резидентных программ, хранящихся в блоке ПЗУ (BIOS), носит

универсальный характер и не является частью какой-либо одной операцион-

ной системы. (Резидентными называются программы, остающиеся в памяти

после того, как управление передается в ОС). Эти программы составляют эле-

мент компьютерной архитектуры (в большинстве случаев архитектуры IBM-

совместимых компьютеров). В задачу этих программ входят выполнение

функций базового ввода-вывода и инициализация аппаратных элементов, об-

щих для всех компьютеров данного типа. Резидентные программы образуют

фундамент, на котором строится любая операционная система.

Для связи резидентных программ с основной частью ОС служит спе-

циальная программа, находящаяся в ПЗУ, которая обращается по фиксиро-

ванному адресу к дисковому накопителю. С этого адреса на накопителе

размещается программа, начинающая загрузку операционной системы при

включении компьютера.

Таким образом, ОС – это набор программных модулей ядра, сопрово-

ждаемых программами – драйверами и утилитами, которые установлены

на конкретном компьютерном оборудовании, включая и сетевые элементы.

Проектирование и создание основной части операционной системы,

размещаемой на дисковом накопителе, – очень сложное, долгое и трудоем-

кое дело. Поэтому оно выполняется немногими фирмами, занимающимися

разработкой системного программного обеспечения: Microsoft, IBM, Apple

и некоторыми другими.

Разработка ОС включает в себя несколько этапов. Вначале создается

исходный вариант набора программ, составляющих ОС. Далее начинается

долгий этап отладки (выявления и устранения ошибок). Сначала фирма

проводит тестирование самостоятельно, затем рабочая версия операцион-

ной системы передается для опытной эксплуатации некоторым фирмам и

отдельным специалистам-профессионалам. Они проводят экспертизу ОС с

целью поиска в проверяемой системе ошибок.

По прошествии некоторого времени информация о найденных ошиб-

ках суммируется. В рабочий вариант системы вносятся исправления и

улучшения. После этого пользователям может быть предложена первая

версия ОС. В ней будут обнаруживаться новые ошибки, выходить устра-

няющие их новые варианты системы (сервис-паки). Только после несколь-

ких лет широкой эксплуатации может быть получена стабильно работаю-

щая операционная система. Выявленные в ней ошибки и недочеты обычно

устраняются только при создании уже следующей версии ОС.

Классификация ОС приведена в [7, 30, 34, 40]. В основе классифика-

ции лежат следующие основные признаки.

По количеству пользователей различают однопользовательские (Win-

dows 95, 98, ME) и многопользовательские (Windows NT, 2000, XP) ОС.

По количеству одновременно решаемых задач ОС бывают однозадач-

ные (MS DOS) и многозадачные (Windows).

По организации работы компьютерной сети выделяют клиентские

(Windows 95, 98, ME, NT, 2000, XP) и сетевые (Windows NT Server, Win-

dows 2000 Server, Netware, Unix, OS и др.) ОС.

По системе файловой разметки ОС выполняются как FAT16, FAT32,

NTFS, WinFS.

3.3. Служебное программное обеспечение [33]

Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). С помощью программ

данного класса выполняется большинство операций, связанных с обслужи-

ванием 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 систем-

ного уровня и устанавливаются вместе с операционной системой. Однако

для повышения удобства работы с компьютером большинство пользовате-

лей устанавливают дополнительные служебные программы.

Средства сжатия данных (архиваторы). Предназначены для создания

архивов. Архивирование данных упрощает их хранение за счет того, что

большие группы файлов и каталогов сводятся в один архивный файл. При

этом повышается и эффективность использования носителя, поскольку архив-

ные файлы обычно имеют повышенную плотность записи информации. Архи-

ваторы часто используют для создания резервных копий ценных данных.

Средства просмотра и воспроизведения. Обычно для работы с файлами

данных необходимо загрузить их в «родительскую» прикладную систему, с

помощью которой они были созданы. Это дает возможность просматривать

документы и вносить в них изменения. Но в тех случаях, когда требуется толь-

ко просмотр без редактирования, удобно использовать более простые и уни-

версальные средства, позволяющие просматривать документы разных типов.

Средства диагностики предназначены для автоматизации процессов

диагностики программного и аппаратного обеспечения. Они выполняют

необходимые проверки и выдают собранную информацию в удобном и на-

глядном виде. Их используют не только для устранения неполадок, но и

для оптимизации работы компьютерной системы.

Средства контроля (мониторинга). Программные средства контроля

иногда называют мониторами. Они позволяют следить за процессами,

происходящими в компьютерной системе. При этом возможны два подхо-

да: наблюдение в реальном режиме времени или контроль с записью ре-

зультатов в специальном протокольном файле. Первый подход обычно ис-

пользуют при изыскании путей для оптимизации работы вычислительной