Лекция 2. BIOS (Basic Input/Output System) – сокращенное имя базовой система ввода-вывода

BIOS (Basic Input/Output System) – сокращенное имя базовой система ввода-вывода. Это набор программных модулей дающих возможность взаимодействия с базовыми устройствами компьютера, первоначальной их инициализации, тестирования и загрузки ОС.

BIOS – это “прослойка” между аппаратурой компьютера и ОС, которая создается до начала работы ОС. Иными словами, это унифицированный интерфейс для работы с различными аппаратными платформами. Это комплект низкоуровневых утилит и драйверов, имеющих жесткую привязку к аппаратным устройствам. Программный код BIOS хранится на чипе в ROM (Read-only-Memory, память только для чтения или ПЗУ (постоянное ЗУ)). Она “прожигается” при изготовлении компьютера. Сейчас появились микросхемы с программируемой постоянной памятью PROM, стираемой программируемой постоянной памятью EPROM (Erasable PROM) стираемой программируемой постоянной памятью EPROM (Erasable PROM) и электронно-стираемой программируемой постоянной памятью EEPROM (Electricity Erasable PROM), иначе называемые Flash ROM, которая получили наибольшее распространение.

Сразу после включения питания начинает работать модуль BIOS. Он проверяет работоспособность аппаратуры компьютера с помощью процедуры самотестирования POST (Power- On-Self-Test)). POST тестирует центральный процессор, системную память, видеоадаптер, устройства в/в, проверяет целостность CMOS (по контрольной сумме), DMA-контроллер и контроллер прерываний, IDE-контроллер и подключенные к нему устройства. Если обнаружена ошибка, то компьютер сигнализирует особыми звуковыми сигналами.

Отметим некоторые типичные сигналы:

· Один короткий сигнал – процедура POST завершилась успешно.

· Два коротких сигнала – обнаружены некритичные установки CMOS.

· Один длинный непрерывный сигнал – неисправен блок питания,

· Повторяющиеся длинные гудки – ошибка ОЗУ.

После успешного завершения POST, начинается инициализация устройств системы, настройка их на параметры конфигурации, хранимые в CMOS и загрузка драйверов. Следует различать памяти CMOS и BIOS – это две взаимосвязанные, но различные структуры, хранящиеся в разных местах компьютера. CMOS – энергозависимая память (питание от аккумулятора компьютера), в которой хранятся текущие настройки вычислительной системы, которые можно менять утилитой CMOS Setup.

Кроме системной BIOS, имеются BIOS других компонентов системы (например, RAID и SCSI контроллеры). При необходимости системная BIOS передает управления BIOS этих устройств. После завершения этапа инициализации устройств, загрузки драйверов, установки параметров текущей конфигурации системы начинается поиск загрузочной записи ОС в соответствии с очередью CMOS. В соответствии с кодом загрузочной записи управление передается загрузчику ОС, который и загружает ядро ОС.

BIOS позволяет улучшить функционирование вычислительной системы. Это достигается двумя путями:

· Сменой BIOS на более современную версию от производителя платформы.

· Изменением текущих настроек утилитой CMOS Setup.

Задачи: Логики:

1. Формализуемые 1. Формальная логика

2. Плохо формализуемые 2. Диалектическая логика

3. Твоческие (неформализуемые) 3. Триалектика

Пользовательские языки:

· Машинный язык(Система команд)

· Формальные языки

· Естественные языки

Пользовательские интерфейсы:

· Командный язык процессора

· Командный язык ОС

· Экранное меню

· Grafic User Interface (GUI 2d,3D)

· Голографический интерфейса

Классификация число ЭВМ/ число пользователей:

· Одна универсальная ЭВМ —много пользователей

· Одна персональная ЭВМ - 1 пользователь

· локальная сеть ЭВМ — много пользователей одной миниЭВМ

· глобальная сеть (много ЭВМ разных типов) — много пользователей. Каждый пользователь знает какой ресурс машины использует в данный момент

· облачная сеть — пользователь решает задачу, не зная на каких машинах (и где они находятся) ему выделен ресурс.

· Суперкомпьютер —много пользователей

Операционная система (ОС) - комплекс взаимосвязанных программ, действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой ЭВМ с другой стороны. Отсюда вытекают две группы функций:

· предоставление пользователю вместо реальной аппаратуры ЭВМ расширенной виртуальной машины, с которой удобней работать и легче программировать;

· повышение эффективности использования оборудования путем рационального управления им в соответствии с некоторым критерием.

Задачи и типы ОС

Задачи	Тип ОС	Языки
Счетные (исходные Д. Известны до решения задачи)	ОС пакетной обработки	Формальные
Управленческие (исходные Д. Меняются в ходе решения задачи управления)	ОС реального времени	Формальные
Диалоговые (интерактивные задачи). Программа и исходные данные формируются человеком непосредственно в ходе решения задачи.	ОС разделения времени	Формальные и естественные
Творческие (распознавание речи)	Универсальная ОС	Формальные и естественные

Эволюция Программирования

На первых машинах программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Не было никакого системного программного обеспечения (СПО), кроме библиотек математических и служебных подпрограмм. Все задачи по организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления (ПУ), который представлял собой примитивное устройство ввода-вывода, состоящее из кнопок, переключателей и индикаторов. Программа представляла собой последовательность машинных команд загружаемых с ПУ и запускаемых на счет кнопкой ПУСК. Первые шаги по автоматизации программирования связаны с появлением АВТОКОДОВ, системных программ, освобождающих программиста от использования абсолютных адресов в программах. Автокод позволял присваивать мнемонические имена переменным, операциям и адресам оперативной запоминающей памяти (ОЗУ) и регистрам арифметико-логического устройства (АЛУ). С середины 50-х г.г. появилась новая техническая база – полупроводники. Выросло быстродействие АЛУ, объемы оперативной и внешней памяти, надежность оборудования. Появились первые алгоритмические языки и к библиотекам математических и служебных подпрограмм добавились трансляторы с языков программирования – новый вид системного программного обеспечения. Выполнение каждой программы требовало включения большого количества вспомогательных работ: загрузку нужного транслятора (АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ), запуск трансляторов и получение программ в машинных кодах (исполняемых программ), связывание программ с библиотечными подпрограммами, загрузку программ в ОЗУ, запуск программ, вывод результатов на периферийное устройство. Для организации эффективного совместного использования ЭВМ использовались операторы, профессионально организующие вычислительный процесс. Однако с ростом производительности (быстродействия) ЭВМ, процессор большую часть времени простаивал в ожидании, пока оператором будет запущена очередная задача. Появилась ПАКЕТНАЯ обработка заданий, автоматизировавшая работу оператора по организации вычислительного процесса. Был разработан формализованный язык управления работами (ЯУР), с помощью которого программисты сообщали оператору и вычислительной системе (ВС), какие действия и в какой последовательности он желает производить на ЭВМ. Оператор составлял пакеты заданий, которые в дальнейшем без его участия последовательно запускались на выполнение управляющей программой – монитором. Монитор был в состоянии самостоятельно обрабатывать наиболее часто встречающиеся при работе программ аварийные ситуации, такие как отсутствие исходных данных, переполнение регистров, деление на ноль, обращение к несуществующей области памяти и т.д. Пакет обычно представлял набор перфокарт, который мог быть занесен на магнитную ленту (МЛ) или магнитный диск (МД). Сама программа-монитор в первых реализациях также хранилась на перфокартах или перфоленте, а позднее на МЛ или МД. Ранние системы пакетной обработки значительно сократили время на вспомогательные действия по организации вычислительного процесса. Однако, программисты лишились непосредственного доступа к ЭВМ, что снизило эффективность их работы – внесение любого исправления в программу требовало значительно большего времени, чем при интерактивной работе за пультом машины.

Мультипрограммирование ОС для мэйнфреймов

К середине 60-х г.г. произошел переход от транзисторов к интегральным микросхемам и появились ЭВМ следующего поколения. С 1965 по 1976 г.г. были разработаны сложные компьютерные архитектуры (IBM 360). В этот период были реализованы все основные механизмы присущие современным ОС: мультипрограммирование, мультипроцессирование, многотерминальный многопользовательский режим, виртуальная память, файловые системы, разграничение доступа и сетевая работа. Это был период расцвета системного программирования, превратившегося в отрасль индустрии, влияющей на практическую деятельность миллионов людей.

Революционным событием стала промышленная реализация мультипрограммирования – способа организации вычислительного процесса, при котором в памяти ЭВМ находилось одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре. Это позволило резко увеличить эффективность использования процессора ВС, компьютер мог использоваться почти постоянно, а не менее половины времени как раньше. Мультипрограммирование имеет 2 варианта:

· пакетную обработку,

· разделение времени.

В пакетном режиме процессор не простаивал, пока одна программа выполняла операции ввода-вывода, а переключался на другую готовую к выполнению программу. В результате достигалась сбалансированная загрузка выходных устройств компьютера, а, следовательно, увеличивалось число задач, решаемых в единицу времени.

Недостаток пакетного режима обработки, лишение пользователя возможности интерактивного взаимодействия со своим программами, устранялся режимом – системой разделения времени (СРВ). Этот вариант рассчитан на многотерминальные системы, когда каждый пользователь работает за своим терминалом. В СРВ каждому пользователю периодически выделяется квант процессорного времени, что создает ему иллюзию единоличного владения ЭВМ (ОС MULTICS, TSS/360 (IBM)).

Эффективность использования оборудования в СРВ ниже, чем в системах пакетной обработки, что является платой за удобство работы пользователя.

Многотерминальный режим использовался не только в СРВ, но и в системах пакетной обработки. Такие ОС получили название систем удаленного ввода заданий.

Терминальные комплексы могли располагаться на большом расстоянии от процессора, соединяясь с ним с помощью различных глобальных связей – модемных соединений телефонных сетей или выделенных каналов. Работа терминалов поддерживалась специальными программными модулями, реализующими различные протоколы связи.

К этому времени существенно изменились функции между аппаратными и программными средствами ЭВМ. ОС стали неотъемлемой частью ЭВМ, играя роль «продолжения» аппаратуры.

При разделении ресурса ЭВМ между программами необходимо быстрое переключение процессора с одной программы на другую, нужна надежная защита программ и данных от преднамеренной или непреднамеренной порчи другой программой. В процессорах появился привилегированный и пользовательский режимы работы, специальные регистры для быстрого переключения с одной программы на другую, средства защиты областей памяти, развитая система прерываний.

В привилегированном режиме ОС, процессор мог выполнять все команды, в том числе и те из них, которые осуществляли распределение и защиту ресурсов ЭВМ. Программы пользователя не могли иметь доступа к некоторым командам процессора. Система прерываний позволяла синхронизировать работу устройств, работающих параллельно и синхронно, таких как каналы ввода-вывода, диски, принтеры и т.д. аппаратная поддержка ОС стала неотъемлемым свойством любых ВС, включая персональные компьютеры.

Еще одна важная особенность этого периода это появление семейств программно-совместимых машин и ОС для них. Программная совместимость требовала и совместимости ОС. ОС, удовлетворяющие этим требованиям оказались чрезвычайно сложными и дорогими. Например, OS/360 объем кода которой превышал 8 Мегабайт стоила IBM около 80 млн. $.

ОС и глобальные сети

В начале 70-х г.г. появились первые сетевые ОС, которые позволили рассредоточить не только пользователей, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими ЭВМ связанными электрическими связями. Любая сетевая операционная система (СОС) выполняла кроме функций локальной ОС, функции взаимодействия по сети ОС других ЭВМ. Программные модули, реализующие сетевые функции, появились в ОС постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы ЭВМ и возникновения новых задач, требующих сетевой обработки.

В 1969г. Министерство Обороны США инициировало работу по объединению суперЭВМ оборонных и научно-исследовательских центров в единую сеть. Эта сеть, получившая название ARPANET явилась отправной точкой для создания самой известной глобальной сети Интернет. ARPANET объединяла ЭВМ различных типов, управляемых разными ОС с добавленными модулями, реализующими коммуникационные протоколы, общие для всех ЭВМ сети. IBM разработала собственную сетевую архитектуру для своих мэйнфреймов (SNA – System NetWork Architeture). В Европе был разработан стандарт Х25 для сетей с коммутацией пакетов, ставший международным. Х25 обеспечивает работу сети ЭВМ, каждая их которых управляется собственной ОС.

ОС миниЭВМ и первых локальных сетей ЭВМ

К середине 70-х г.г. наряду с суперкомпьютерами широкое распространение получили миниЭВМ (PDP-11. HP, CM), Они использовали преимущества больших интегральных схем (БИС) позволявшие реализовывать достаточно мощные функции при сравнительно невысокой стоимости машины.

Архитектура миниЭВМ была значительно упрощена по сравнению с суперЭВМ, что отразилось и на ОС. ОС миниЭВМ часто делали специализированными. Чаще всего они обеспечивали режим разделения времени или режим реального времени. Эти ОС не всегда были многопользовательскими. Важной вехой стало создание ОС UNIX для PDP-7. Программный код для UNIX был на 90% написан на языке высокого уровня С. Широкое использование эффективных С-компиляторов сделало UNIX уникальной ОС, легко переносимой на другие типы ЭВМ. Это была первая открытая ОС, которую могли совершенствовать простые пользователи.

Доступность миниЭВМ и их распространенность на предприятиях явились мощным стимулом для создания локальных вычислительных сетей (ЛВС). Первые ЛВС строились с помощью нестандартного коммуникационного оборудования, в простейшем случае путем прямого соединения последовательных портов миниЭВМ. Программное обеспечение (ПО) реализовывалось в виде пользовательских приложений. Первое сетевое приложение для ОС UNIX – UUCP (Unix to Unix Copy Programm) появилось в 1976 г.

ОС 80-х годов

Наиболее важные события 80-х годов:

· разработка протокола TCP/IP;

· становление Интернет;

· стандартизация технологий ЛВС;

· появление персональных машин (РС) и ОС для них.

Внедрение протоколов TCP/IP в ARPANET придало этой сети все основные черты, которые определяют Интернет. Интернет стал отличным полигоном для испытаний многих СОС, позволившим проверить в реальных условиях возможности их взаимодействия, степень масштабируемости, способность работать в экстремальных условиях при работе тысяч пользователей.

TCP/IP стал главным транспортным механизмом Интернета и характеризуется:

· независимостью от производителей;

· гибкостью и оперативностью;

· открытостью и доступностью.

В это десятилетие появилось несколько новых совершенных версий ОС UNIX (Sun OS, HP-UX, IRIX и др.). Появились РС, которые с точки зрения архитектуры не отличались от миниЭВМ, но по стоимости были существенно ниже. РС стали использоваться неспециалистами, что потребовало разработки более “дружелюбного” интерфейса. РС стали причиной бурного роста ЛВС. В результате ОС РС приобрели черты СОС. Однако, это проявилось не сразу. Первая версия ОС РС – MS DOS компании MicroSoft была однопрограммной однопользовательской ОС с интерфейсом командной строки, способной стартовать с дискеты. Основными задачами для нее были управление файлами, расположенными на гибких и жестких дисках в UNIX – подобной иерархической файловой системе, а также поочередный запуск программ. Не было привилегированного режима, мультипрограммирования. Недостающие функции для MS DOS компенсировались внешними программами, предоставляющими удобный графический интерфейс (Norton Commander) или средства тонкого управления дисками (PC Tools).

Сетевые функции реализовывались в основном сетевыми оболочками, работавшими поверх ОС (с версии MS DOS 3.1). В 1984 году Microsoft выпустила продукт Microsoft NetWorks (MS-Net). Некоторые его черты – такие как введение в структуру базовых сетевых компонентов – редиректора и сетевого сервера, успешно перешли в более поздние сетевые продукты Microsoft: LAN Manager, Windows for WorksGroups, Windows NT). Сетевые оболочки выпускали и другие компании: IBM, ArtiSoft и др.).

В 1983 году появилась первая СОС компании Novell OS-Net. Эта СОС изначально проектировалась со встроенными сетевыми функциями и стала эталоном производительности, надежности и защищенности для ЛВС. Сначала она была предназначена для ЛВС звездообразной топологии, центральным звеном которой был специальный компьютер на базе микропроцессора Motorola 68000. Позже с появлением IBM PC XT Novell разработала новый продукт NetWare 86 для семейства машин Intel8088.

ОС NetWare распространялась как ОС для центрального сервера ЛВС и обеспечивала максимальную скорость удаленного доступа к файлам и повышенную безопасность данных. Эта ОС не позволяла использовать файл-сервер как рабочую станцию и имела специфический прикладной программный интерфейс API, что требовало от разработчиков приложений особого опыта и знаний.

В 1987 году Microsoft и IBM выпустили OS/2. Эта система была хорошо продумана. Она поддерживала вытесняющую многозадачность, графический пользовательский интерфейс и виртуальную машину для выполнения DOS – приложений. Фактически она выходила за пределы простой многозадачности с ее концепцией распараллеливания отдельных процессов, получивших название многопоточности.

OS/2 оказалась хорошей платформой для построения ЛВС. Распространение получили сетевые оболочки LAN Manager компании MicroSoft и LAN Server компании IBM. Эти оболочки уступали по производительности файловому серверу NetWare и потребляли больше аппаратных ресурсов, но имели важные достоинства:

· выполнение на сервере любых программ, разработанных для OS/2, MS DOS, Windows;

· использование сервера как рабочей станции.

Сетевые разработки MicroSoft и IBM привели к появлению NetBIOS – популярного транспортного протокола и одновременно интерфейса прикладного программирования для ЛВС, получившего применение почти на всех СОС для РС. Этот протокол и сегодня применяется для создания небольших ЛВС. Принцип работы этих сетевых систем можно увидеть в более поздней и удачной ОС 90–х годов MicroSoft Windows NT.

Современный этап развития ОС

В 90-е годы все ОС стали сетевыми. Сетевые функции встраиваются в ядро ОС, являясь ее неотъемлемой частью. ОС получили средства для работы со всеми основными технологиями локальных (Ethernet, Fast Ethernet, GigaBit Ethernet,Token Ring,...) и глобальных (Х25, ISDN, ATM) сетей, а также средства для создания составных сетей (IP, IPX, AppleTalk). В ОС появились средства позволяющие поддерживать одновременную сетевую работу с разнородными клиентами и серверами. Появились специализированные ОС, предназначенные только для выполнения коммуникационных задач.

Во второй половине 90-х годов кроме TCP/IP в основной комплект ОС начали включать утилиты, реализующие такие популярные сервисы Интернета как TelNet, FTP, DNS, Web. Влияние Интернета проявилось и в том, что компьютеры превратились из чисто вычислительного устройства в средство коммуникаций с развитыми вычислительными возможностями. Особое внимание уделяется корпоративным СОС. Они отличаются способностью хорошо и устойчиво работать в крупных сетях, которые характерны для больших предприятий, имеющих отделения в нескольких городах разных стран. Тройка лидеров корпоративных СОС – Novell NetWare 4.x и 5.0, MicroSoft Windows NT и Windows 2003, UNIX - системы различных производителей платформ.

Лекция 3

Дата добавления: 2013-12-13