Компоненты компьютерной системы и особенности её функционирования

Понятие ОС и цели её работы

ОС — базовое системное программное обеспечение, управляющее работой компьютера и являющаяся посредником (интерфейсом) между аппаратурой (hardware), прикладным ПО (application software) и пользователем компьютера. Фактически ОС с точки зрения пользоватея это продолжение аппаратуры, надстройка над ней, обеспечивающая более удобное, надежное и безопасное использование компьютера и компьютерных сетей.

Рассмотрим основные цели ОС:

1. обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности выполнения пользовательских программ.

2. обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности использования компьютера (ОС обеспечивает максимальную эффективность и полезность использования компьютера и его ресурсов, обрабатывает прерывания, защищает компьютер от сбоев, отказов и хакерских атак)

3. обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности использования сетевых, дисковых и других внешних устройств подключенных к компьютеру. (это особая функция ОС, которая обеспечивает работу с внешними устройствами например ОС обрабатывает любое обращение к жесткому диску, обеспечивая работу соответствующего драйвера (низкоуровневые программы для обмена информации с диском) и контроллер (специализированного процессора, выполняющего команды ввода вывода с диска))

4. обеспечение безопасности, надежности и защиты данных

Чтобы лучше понять место и роль операционной системы в процессе вычисления рассмотрим компьютерную систему в целом. Она состоит из следующих компонентов:

I. Аппаратные устройства:

1. ЦП(CPU), выполняющий команды (инструкции) компьютера

2. Память (memory), хранящая данные и программы

3. устройства ввода вывода (Input-output devices), обеспечивающие ввод информации в компьютер и вывод результатов работы программ в форме воспринимаемой пользователем или другими программами

II. ОС — это системное программное обеспечение, управляющее использованием аппаратуры, различными программами и пользователем

III. Прикладное ПО — это программы, предназначенные для решения различных классов задач. К ним относятся: компиляторы, обеспечивающие трансляцию программ с языков программирования в машинный код; СУБД; графические библиотеки; игровые и офисные программы. Прикладное ПО образует следующий более высокий уровень по сравнению с ОС.

IV. Пользователи (users) — это люди и другие компьютеры. Компьютеры в сети также могут играть роль пользователей (клиентов) по отношению к данному компьютеру, выступающему в роли сервера.

Основные компоненты ОС:

1. Ядро — низкоуровневая основа любой ОС, выполняемая аппаратурой в особом привилегированном режиме. Ядро загружается в память 1 раз при запуске ОС и находится в памяти резидентно.

2. Подсистема управления ресурсами (resource allocator), часть ОС, управляющая вычислительными ресурсами компьютера (оперативной и внешней памятью, процессором и т. д.)

3. Компонент управляющая программа (control program, supervisor) — подсистема ОС, управляющая исполнением других программ и функционированием устройств ввода вывода.

Для того чтобы представить разнообразие ОС, рассмотрим классификацию компьютерных систем для которых данные ОС разрабатываются.

Классификация компьютерных систем:

1. Суперкомпьютеры (supercomputers) - это мощные многопроцессорные компьютеры, наиболее современные из которых имеют производительность до нескольких петафлопс. (flops – акроним (аббревиатура, читаемая одним словом) от англ. Floating point operations per second, внесистемная единица используемая для измерения производительности компьютеров и означающая сколько операций с плавающей точкой в секунду выполняет данная вычислительная система) test linpack запускается раз в полгода на суперкомпьютерах для вычисления их мощности. Самый мощный Kcomputer 8,16 петафлопс, Российский «Ломоносов» 1,3 Пфлопс. Суперкомпьютеры используются для используются для вычислений, требующих больших вычислительных мощностей, сверхвысокой производительности и большого объема памяти. Применяются для моделирования климата в конкретном регионе, для предотвращения стихийных бедствий, исследования глобального климата и в медицине. Особенностью суперкомпьютеров является их параллельная архитектура, как правило все они являются многопроцессорными, таким образом ОС для суперкомпьютеров должна поддерживать распараллеливание решения задач и синхронизацию параллельных процессов одновременно решающих подзадачи некоторых программ.

2. Многоцелевые компьютеры (компьютеры общего назначения, mainframe) frame – конструкция. Это большая универсальная ЭВМ(высокопроизводительный компьютер) со значительным объемом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой емкости и выполнения интенсивных вычислительных работ. Обычно mainframe это мощный компьютер используемый в качестве главного и центрального компьютера например сервера. Применяются для целочисленных операций требовательных к скорости обмена данными, к надежности и к способности одновременной обработки множества процессов (инвентаризация товаров, резервирование билетов, банковские операции). Производительность мэйнфрэймов, как правило вычисляется в миллионах операций в секунду(MIPS). MIPS = Million Instructions Per Second. В настоящее время компьютеры с архитектурой mainframe производятся только компанией IBM.

Основные заказчики mainframe в России:

- ОАО «РЖД»

- Банк России

- ЦКБ

Мэйнфрэймы могут выполнять два вида работ, которые представляют собой два абсолютно различных типов рабочих нагрузок: 1. пакетная обработка задания (bald job, когда компьютер выполняет работу без участия человека) используется в случае значительных объемов данных на выходе. 2. обработка задания в реальном времени (on-line), например транзакционные системы — приобретение ж/д билетов, система оплаты по кредитке

Главное отличие этих видов работ — в объемы вводимых и выводимых данных. Если требуется соблюсти заведомо, оговоренное самое высокое быстродействие, при этом обслужить значительное кол-во пользователей стоит использовать мэйнфрэйм ОС которой может координировать всю эту работу.

Пример ОС, работающих с мэйнфрэймом:

Linux for r/Series

3. Кластеры компьютеров (computer clusters) — это группа компьютеров физически расположенных рядом и соединенных друг с другом высокоскоростными шинами и линиями связи. Кк используются для высокопроизводительных параллельных вычислений. Кластеры имеют общую файловую систему и воспринимается пользователем как единый ресурс. ОС для кластеров помимо общих возможностей должна предоставлять средства для его конфигурирования, управления компьютерами (процессорами), входящими в него. Распараллеливание рещения задач между компьютерами кластера и мониторинга кластерной компьютерной системы. Отличительной особенность кластера является то, что каждый его работающий компьютер может взять на себя дополнительную нагрузку отказавшего узла. ОС: Windows 2003 for Clusters, Windows 2008 High-Performance Computer.

4. Настольные компьютеры (desktops) – стационарные ПК обычно размещающиеся на рабочем столе, состоящие из монитора, системного блока, клавиатуры и мыши. Всё разнообразие современных ОС.

5. Портативные компьютеры: ноутбук, нетбук и др. Это миниатюрные компьютеры по своим параметрам не уступающие настольным. Лэптоп — на коленях сидящего. Широкий термин, применяется как к ноутбукам так и планшетным ПК. К ноутбукам обычно относят лэптопы выполненные в раскладном форм-факторе. Существуют две разновидности планштеных ПК: планшетный ноутбук (гибрид планшета и ноута, ноутбук с сенсорным экраном), как правило дисплей поворотный. Tablet PC — полно размерный ноутбук оборудованный сенсорным экраном и позволяющий работать при помощи стилуса или пальцев. Нетбуки для интернета. Обязательный параметр нетбука — вай фай. Всевозможные порты и адаптеры беспроводной связи.

WiFi – вид радиосвязи, позволяющий работать с производительностью 10-100 мбит/с. IEEE – (институт инженеров по электротехнике и электронике) международная некоммерческая организация специалистов, является мировым лидером в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике.

Bluetooth – радиосвязь на более коротких расстояниях (BT 3.0 - от 10 до 100 метров), используемая для взаимодействия компьютера с мобильными телефонами, наушниками и т. п.

IrDA – Infrared Data Association группа стандартов, описывающая протоколы логического и физического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве среды передачи

USB – Universal Series Bus

ОС для портативных ПК: в основном такие же как и для настольных ПК, Win NT, Linux, Windows XP tablet pc edition, Android.

6. Карманные портативные компьютеры и органайзеры (КПК, handhelds, PDA). Карманный персональный компьютер (КПК) — PDA – personal digital assistent (личный цифровой секретарь) портативное вычислительное устройство, обладающее широкими функциональными возможностями (просмотр видеороликов, изображений, выход в интернет, работа с графическими программами, офисными приложениями). Их часто называют наладонниками от англ. palmtop. Handheld PC – клавиатурный КПК, выполненный в раскладном или раздвижном форм-факторе. ОС для HPC: Microsoft Windows CE (Consumer Electronics — бытовая техника), вариант ОС для наладонных КПК, мобильных телефонов и встраиваемых систем. ОС для КПК: BlackBerrry OS, Palm OS, Symbian OS, Android, Windows Phone 7, Windows Mobile.

7. Мобильные устройства (mobile intelligent devices) – мобильные телефоны, смартфоны, коммуникаторы. В настоящее время получили большое распространение коммуникаторы и смартфоны, которые представляют собой разновидность КПК со встроенным GSM модулем. ОС теже, что и для КПК.

8. Носимые компьютеры (wearable computers) — критическим фактором данных компьютеров является их сверхвысокая надежность, а для их ПО в том числе для ОС это минимальное возможное время ответа (response time) — интервал в течении которого система обрабатывает информацию от датчиков, от пользователя или от сети превышение которого грозит катастрофическими последствиями. С этой точки зрения ОС для носимых компьютеров можно отнести к системам реального времени. Используется самыми различными специалистами:

◦ при операциях с недвижимостью

◦ в геодезии

◦ медицине

◦ и т.д

Первый носимый компьютер был сконструирован в 1961 году математиком Эдвардом О. Торпом. ОС на базе Android.

9. Распределенные системы (distributed systems) – системы состоящие из нескольких компьютеров, объединенных в проводную или беспроводную сеть. Таким образом все ОС должны поддерживать распределенный режим работы, средства сетевого взаимодействия, высокоскоростную надежную передачу информации.

10. Системы реального времени (real-time systems) – вычислительные системы предназначенные для управления различными техническими, военными и другими объектами в режиме реального времени. Характеризуются основным требованием к аппаратуре и к ПО (в т.ч. к ОС): недопустимость превышения времени ответа системы, т. е. ожидаемого времени выполнения типичной операции системы.