Počítačový systém

Počítačový systém se aktualizuje přibližně každých 3 až 5 let, poměr výkonu a ceny se desetinásobně zvýší a objem se výrazně sníží. Technologie VLSI se bude i nadále rychle vyvíjet a bude mít obrovský a hluboký dopad na různé počítačové systémy. Objevily se 32bitové mikropočítače a vyšly také 64bitové mikropočítače. K výrobě 10 milionů součástek na jediném čipu není daleko. Výzkum zařízení, která jsou 10 až 100krát rychlejší než polovodičové integrované obvody, jako je arsenid galia, zařízení s vysokou pohyblivostí elektronů, Josephsonovy spoje a optické komponenty, přinese důležité výsledky. Technologie mikromontáží pro zvýšení hustoty montáže a zkrácení propojovací linky je jednou z klíčových technologií nové generace počítačů. Komunikace pomocí optických vláken bude široce používána. Neustále se objevují různá vysokorychlostní inteligentní periferní zařízení a příchod optických disků udělá z pomocného velkokapacitního úložiště zcela nové. Víceprocesorové systémy, vícepočítačové systémy a systémy distribuovaného zpracování budou poutavé systémové struktury. Zpevňování softwaru (tzv. firmware) je trendem vývoje. V praxi se začaly používat nové typy neumannovských strojů, uvažovací počítače, počítače znalostní báze atd. Vývoj softwaru se zbaví zaostalosti a neefektivity. Softwarové inženýrství se vyvíjí do hloubky. Výroba softwaru se rozvíjí směrem inženýrství, formalizace, automatizace, modularizace a integrace. Díky výzkumu nových jazyků na vysoké úrovni, jako jsou logické jazyky, funkční jazyky a umělá inteligence, bude rozhraní člověk-počítač jednoduché a přirozené (můžete přímo vidět, poslouchat, mluvit a kreslit). Databázová technologie bude značně rozvinuta. Rozšíří se počítačové sítě. Intenzivně se vyvíjejí počítačové systémy nové generace vyznačující se obrovským výpočetním výkonem (například 10 až 100 miliard operací za sekundu), obrovskou znalostní a informační základnou a vysokou inteligencí. Počítačové aplikace se budou stále více rozšiřovat. Počítačem podporované navrhování, počítačem řízené výrobní linky a inteligentní roboti výrazně zvýší společenskou produktivitu práce. Kanceláře, lékařská péče, komunikace, vzdělávání a rodinný život budou mít počítač. Vliv počítačů na životy lidí a společenské organizace bude stále širší a hlubší.

Pracovní postup

Obecný postup, jak uživatelé použít počítačový systém k výpočtu otázek:

①Vytvořte si účet prostřednictvím provozovatele systému a získejte právo jej používat. Účet slouží k identifikaci a ochraně souborů uživatele (programů a dat) a také slouží k tomu, aby systém automaticky počítal využití zdrojů uživatelem (účetnictví, platby).

②Podle problému, který má být řešen, prozkoumejte algoritmus, vyberte vhodný jazyk, napište zdrojový program a současně poskytněte data ke zpracování a související řídicí informace.

③Vložte výsledek ② na disketu na speciálním offline zařízení a vytvořte uživatelský soubor (lze to provést také na online terminálu a soubor se vytvoří přímo v pomocném úložišti. V tuto chvíli čtvrtý krok je vynechán).

④Použijte disketový stroj k vložení uživatelských souborů na disketě do počítače, po zpracování jako úlohy je zaregistrujte a uložte do pomocného úložiště.

⑤ je požadavek na kompilaci. Operační systém přenese úlohu do hlavní paměti, zavolá kompilátor zvoleného jazyka, zkompiluje a připojí (včetně volaných podprogramů), vytvoří cílový program spustitelný strojem a uloží jej do pomocné paměti.

⑥Je vyžadováno aritmetické zpracování. Operační systém přenese cílový program do hlavní paměti, která je zpracována centrální procesorovou jednotkou, a výsledek se uloží do pomocné paměti.

⑦Výsledek operace je odeslán na externí zařízení pro výstup operačního systému ve formátu požadovaném uživatelem.

Interní práce počítače (④～⑦) je složitý proces pod kontrolou operačního systému. Obvykle se do počítače zadává více uživatelských úloh současně a jsou jednotně naplánovány operačním systémem a spouštěny rozloženým způsobem. Tento druh plánování je však pro uživatele transparentní a běžní uživatelé nemusejí znát jeho interní podrobnosti.

Uživatelé mohou pomocí terminálu interaktivně ovládat průběh ③～⑦ (režim sdílení času); mohou také pověřit obsluhu vyplněním ③～⑦, z nichž ④～⑦ je automaticky prováděno počítačem (dávkové zpracování) způsobem). Metoda dávkového zpracování má vysoký stupeň automatizace, ale uživatel není intuitivní a nedochází k žádnému mezizásahu. Režim sdílení času je intuitivně ovládán uživatelem a může kdykoli zasáhnout do opravy chyb, ale míra automatizace je nízká. Většina moderních počítačových systémů poskytuje dvě metody, které si volí uživatel.

Operační systém

Úvod

Operační systém je systémový software (nebo soubor programů), který usnadňuje uživatelům, spravuje a řídí počítačový hardware a softwarové zdroje. Z uživatelského hlediska lze operační systém vnímat jako rozšíření počítačového hardwaru; z pohledu interakce člověk-počítač je operační systém rozhraním mezi uživatelem a strojem; ze struktury systému počítače je operační systém hierarchická, modulární struktura Sada programů patří k metodě uspořádaného vrstvení, což je uspořádané vrstvené volání neuspořádaných modulů. Návrh operačního systému ztělesňuje kombinaci výpočetní techniky a technologie správy. Stav operačního systému v počítači:

Operační systém je software a je to systémový software. Jeho roli v počítačovém systému lze zhruba chápat ze dvou hledisek: interně operační systém spravuje různé zdroje počítačového systému a rozšiřuje funkce hardwaru;

externě, obsluha Systém poskytuje dobré rozhraní člověk-stroj, které je pro uživatele pohodlné při používání počítačů. Má spojovací pozici v celém počítačovém systému.

Operační systém je rozsáhlý softwarový systém se složitými funkcemi a obrovským systémem. Rozdílné jsou i výsledky z různých úhlů pohledu. Je to „hřeben a vrchol jsou tvořeny vodorovně“. Pojďme to analyzovat ze dvou nejtypičtějších úhlů.

1. Z pohledu programátora

Jak již bylo zmíněno dříve, pokud neexistuje operační systém, musí programátoři při vývoji softwaru spadat do složitých detailů implementace hardwaru. Programátoři se nechtějí angažovat v tomto hrozném oboru a mnoho energie vynaložené na tuto opakovanou, nekreativní práci také brání programátorům soustředit se na kreativnější programátorskou práci. Programátor potřebuje jednoduché, vysoce abstraktní zařízení, které s ním lze použít.

Oddělte hardwarové detaily od programátora, kterým je samozřejmě operační systém.

Z tohoto pohledu je úlohou operačního systému poskytovat uživatelům ekvivalentní rozšířený stroj, nazývaný také virtuální stroj, jehož programování je snazší než základní hardware.

2. Z pohledu uživatele

Z pohledu uživatele se operační systém používá ke správě různých částí komplexního systému.

Operační systém je zodpovědný za řádnou kontrolu alokace CPU, paměti a dalších zařízení I/O rozhraní mezi konkurenčními programy.

Předpokládejme například, že tři programy spuštěné na počítači se pokusí vytisknout výsledky výpočtu na stejné tiskárně současně. Potom může být prvních několik řádků výstupem programu 1, dalších několik řádků je výstupem programu 2 a poté výstupem programu 3 a tak dále. Konečným výsledkem bude nepořádek. V tuto chvíli se může operační systém vyhnout tomuto zmatku odesláním výtisku do vyrovnávací paměti na disku. Po ukončení programu může operační systém odeslat soubory dočasně uložené na disku do tiskárny pro výstup.

Z tohoto pohledu je operační systém správcem prostředků systému.

Historie vývoje

Podívejme se na historii vývoje operačního systému ve spojení s historií vývoje počítače.

1. První generace počítačů (1945-1955): elektronky a zásuvné desky

V polovině 40. let 20. století někteří lidé z Harvardské univerzity, Princetonského institutu pro pokročilá studia a Pensylvánské univerzity použili data Deset tisíc elektronek postavilo první elektronický počítač na světě. Spusťte historii vývoje počítače. Stroje v tomto období vyžadují tým, aby každý stroj navrhl, vyrobil, naprogramoval, provozoval a udržoval. Programování využívá strojový jazyk a ovládá jeho základní funkce prostřednictvím pevného zapojení na zásuvné desce.

V této době, v počáteční fázi vývoje počítače, se ještě neobjevily ani programovací jazyky a operační systémy jsou neslýchané.

2. Počítače druhé generace (1955-1965): tranzistory a systémy pro dávkové zpracování

V tomto období se počítače stávají stále spolehlivějšími. Vystoupili z výzkumného ústavu a zadali komerční aplikace. Počítače však v tomto období dokončovaly především různé vědecké výpočty, které vyžadovaly údržbu specializovaných operátorů a bylo nutné je naprogramovat pro každý výpočetní úkol.

Počítač druhé generace se používá hlavně pro vědecké a technické výpočty. K psaní programů používejte FORTRAN a jazyk symbolických instrukcí. V pozdějším období se objevil prototyp operačního systému: FMS (monitorovací systém FORTRAN) a IBMSYS (operační systém vybavený IBM pro stroj 7094).

3. Počítače třetí generace (1965-1980): čipy s integrovanými obvody a multiprogramování

Na počátku 60. let byli výrobci počítačů rozděleni do dvou počítačových řad podle různých aplikací. Jeden pro vědecké výpočty a jeden pro komerční aplikace.

S prohlubováním počítačových aplikací je potřeba, aby počítače tyto dvě aplikace sjednotily. V této době se IBM pokusila tento problém vyřešit zavedením System/360.

Ve spojení s tímto plánem IBM zorganizovalo vývoj operačního systému OS/360 a složité požadavky a nízká úroveň softwarového inženýrství v té době učinily vývoj OS/360 nejstrašnějším v historii." Zrodila se „bažina vývoje softwaru“, nejslavnější pojednání o selhání – „Mysterious Man Moon.“ Přestože tento plán vývoje selhal, tato touha se stala cílem výrobců počítačů.

V tuto chvíli se MIT, Bell Lab (Bell Labs) a General Electric Company rozhodly vyvinout „veřejný systém počítačových služeb“ – MULTICS, v naději, že podpoří stovky uživatelů, kteří sdílejí čas ve stejnou dobu. . Výsledkem bylo, že obtížnost vypracování tohoto plánu předčila všechna očekávání a systém skončil neúspěchem. Myšlenka MULTICS má však mnoho náznaků pro pozdější operační systémy.

Koncem 60. let Ken Thompson, počítačový vědec z Bell Labs, který se podílel na vývoji MULTICS, vyvinul zjednodušenou sadu verze MULTICS pro jednoho uživatele. Později vedl ke zrodu operačního systému UNIX.

Operační systém UNIX dominuje na minipočítačích, pracovních stanicích a dalších trzích. Je to také jeden z dosud nejvlivnějších operačních systémů a Linux je také derivátem systému UNIX. V další přednášce si konkrétně představíme historii vývoje UNIXu.

4. Čtvrtá generace počítačů (1980-dosud): osobní počítače

S neustálou aktualizací a rozvojem počítačových technologií se počítače magicky vloupaly do lidských životů. Počítač s výkonným výpočetním výkonem lze získat za nízkou cenu.

Když cena již není prahem pro zablokování popularizace počítačů, je velmi důležité snížit snadnost používání počítačů! Vzhledem k vlastnostem systému UNIX není vhodný pro provoz na osobním počítači. V tuto chvíli je potřeba nový operační systém.

V této kritické době v historii IBM podcenila trh PC a nevyužila svou největší sílu k tomu, aby na tomto trhu konkurovala. V této době Intel využil příležitosti vstoupit a stal se lídrem dnešních mikroprocesorů. . Zároveň na toto pole včas vstoupil prezident Microsoft Corporation Bill Gates, který umí dobře využít příležitosti. Zakoupeným CP/M se stal MS-DOS a stal se dominantním hráčem na poli operačních systémů pro osobní počítače.

Ačkoli se Apple ujal vedení v GUI, kvůli nekompatibilní a neotevřené tržní strategii společnosti Apple nebyl schopen rozšířit svůj úspěch. V této době Microsoft vstoupil na stranu GUI včas, opět se systémem WINDOWS. Ovládněte přístřešek.

Složení

Obecně řečeno, operační systém se skládá z následujících částí:

1) Subsystém plánování procesů:

Proces Plánovací subsystém určuje, který proces používá CPU, a naplánuje a spravuje proces.

2) Meziprocesový komunikační subsystém:

Odpovídá za komunikaci mezi jednotlivými procesy.

3) Subsystém správy paměti:

Zodpovědný za správu paměti počítače.

4) Subsystém správy zařízení:

Zodpovědný za správu různých počítačových periferií, složených převážně z ovladačů zařízení.

5) Souborový subsystém:

Zodpovědný za správu různých souborů a adresářů na disku.

6) Síťový subsystém:

Zodpovědný za zpracování různých věcí souvisejících se sítí.

Strukturální návrh

Existuje mnoho metod implementace a návrhů operačního systému. Následující text vybírá pouze tři nejreprezentativnější pro stručný popis.

1. Integrální systém

Návrh struktury integrovaného systému:

Toto je nejběžněji používaná organizační metoda a často se o ní mluví jako o „hodgepodge“ Lze také říci, že celková struktura systému je „nestrukturovaná“.

V této struktuře, za účelem sestavení konečného cílového programu operačního systému, vývojář nejprve zkompiluje některé nezávislé procedury nebo soubory obsahující procedury a poté je použije linker k jejich propojení do jediného cílového programu.

Operační systém Linux je navržen s integrovanou systémovou strukturou. Na tomto základě jsou však přidány některé metody, jako je dynamické načítání modulů, aby se zlepšila celková flexibilita a vyrovnaly se nedostatky celkového návrhu struktury systému.

Druhý, hierarchický systém

Návrh hierarchické struktury systému:

Tento přístup spočívá v striktním vrstvení systému, čímž je celý systém jasný, hierarchický! Tento druh systému má silnou akademickou chuť! Ve skutečnosti není mnoho operačních systémů navržených zcela v souladu s touto strukturou a ani nejsou široce používány.

Dá se říci, že současný návrh operačního systému hledá rovnováhu mezi celkovou strukturou systému a návrhem hierarchické struktury systému.

3. Mikro-kernel systém

Návrh struktury systému mikrojádra:

Návrh struktury systému mikrojádra je nový koncept designu, který se objevil v posledních letech. Nejreprezentativnější operační systémy jsou Mach a QNX.

Systém mikrojádra, jak název napovídá, spočívá v tom, že jádro systému je velmi malé. Například mikrojádro QNX je zodpovědné pouze za: meziprocesovou komunikaci, nízkoúrovňovou síťovou komunikaci, plánování procesů a zpracování přerušení první úrovně.

Horizontální srovnání

V historii počítačů bylo mnoho operačních systémů a pak byly vlny smyty a mnohé byly nemilosrdně odstraněny, takže zůstaly jen některé, které prošly testem trh:

1. Desktopový operační systém

1) MSDOS: Nejstarší operační systém na počítačích řady Intelx86, produkty společnosti Microsoft, kdysi dominovaly této oblasti a nyní byl postupně adoptován vlastním bratrem řady WINDOWS Místo toho je nyní vzácný, s výjimkou některých počítačů nižší třídy. .

2) Windows: Produkty společnosti Microsoft, vyvinuté z Windows 1.0, jsou nyní hlavním operačním systémem na počítačích s procesorem Intel x86 a jsou také nejinstalovanějším operačním systémem v osobních počítačích. Pro stolní počítače, pro jednotlivé uživatele.

3) Mac OS: ve vlastnictví společnosti Apple, s přátelským rozhraním a vynikajícím výkonem, ale jeho vývoj je omezený, protože může běžet pouze na vlastním počítači společnosti Apple. Vzhledem k jedinečné pozici společnosti Apple na trhu je však stále naživu a dobře.

4) Linux: Linux je název počítačového operačního systému a jeho jádra. Je to také nejznámější příklad vývoje svobodného softwaru a open source.

Přísně vzato, slovo Linux samotný odkazuje pouze na linuxové jádro, ale ve skutečnosti jsou lidé zvyklí používat Linux k popisu celého operačního systému založeného na linuxovém jádře a pomocí různých nástrojů a databází projektu GNU ( Také známý jako GNU/Linux). Linuxový software založený na těchto komponentách se nazývá distribuce Linuxu. Obecně řečeno, linuxový distribuční balíček obsahuje spoustu softwaru, jako jsou nástroje pro vývoj softwaru, databáze, webové servery (jako je Apache), X Window, desktopová prostředí (jako GNOME a KDE), kancelářské sady a tak dále.

Druhý, serverový operační systém

1) Řada UNIX: Dá se říci, že UNIX má dlouhou historii, je skutečně stabilním, praktickým a výkonným operačním systémem, ale díky mnoha výrobcům na jeho základě vyvinuli verzi UNIX s vlastními charakteristikami, takže ovlivnil celý. V zahraničí je systém UNIX jedinečný, široce používaný v klíčových oblastech, jako je vědecký výzkum, školy a finance. Vzhledem k poměrně zaostalému vývoji počítačů v Číně však aplikační úroveň UNIXových systémů do jisté míry zaostává za zahraničím.

2) Řada Windows NT: Produkty společnosti Microsoft, které ke vstupu na trh serverových operačních systémů využívají přívětivého uživatelského rozhraní Windows. Oproti UNIXu má však určitou mezeru v celkovém výkonu, efektivitě a stabilitě, takže se nyní používá především na trhu malých a středních podniků.

3) Řada Novell Netware: Produkty společnosti Novell, které jsou známé tím, že jsou mimořádně vhodné pro malé a středně velké sítě, mají velmi vysoký podíl na trhu v čínském odvětví cenných papírů a jejich vlastnosti produktů jsou jasné a jsou stále v systémovém softwaru serveru. Vždy zelený strom.

4) Řada LINUX: Linux je bezplatný a open source operační systém podobný Unixu. Existuje mnoho různých druhů Linuxu, ale všechny používají linuxové jádro. Linux lze nainstalovat do různých počítačových hardwarových zařízení, od mobilních telefonů, tabletů, routerů a videoherních konzolí až po stolní počítače, sálové počítače a superpočítače. Linux je přední operační systém. 10 nejrychlejších superpočítačů na světě provozuje operační systém Linux. Přísně vzato, samotné slovo Linux znamená pouze linuxové jádro, ale ve skutečnosti jsou lidé zvyklí používat Linux k popisu celého operačního systému založeného na linuxovém jádře a pomocí různých nástrojů a databází z projektu GNU. Linux dostal své jméno od Linuse Torvaldse, počítačového fandy.

Flynn klasifikace

Flynn klasifikace je klasifikována podle toku instrukcí, datového toku a jejich polyploidie. Existují čtyři kategorie:

SISD——Instrukční komponenta zpracovává pouze jednu instrukci a řídí činnost pouze jedné provozní komponenty. Například obecný sériový jednoprocesor.

SIMD――Jedna instrukční komponenta řídí více opakovaně nastavených procesních jednotek současně a provádí různé

datové operace podle stejné instrukce. Například procesor pole.

MISD――V každé fázi zpracování stejných dat pracuje více komponent instrukcí. Takové stroje jsou vzácné.

MIMD――Více nezávislých nebo relativně nezávislých procesorů provádí své vlastní programy, operace nebo procesy. Například vícenásobné

procesory.