Есептеу жүйесінің даму тарихы. Операциялық жүйелердің компоненттері

1. Есептеу жүйесінің даму тарихы. Операциялық жүйелердің компоненттері.

Қазіргі заманғы компьютер  бір немесе бірнеше процессорлардан, оперативті жадыдан, дисктерден, принтерлерден, пернетақталардан, тышқаннан, дисплейден, жүйелік интерфейстерден және басқа  да енгізу-шығару құрылғыларынан тұрады. Жоғарыдағы бұл компоненттердің барлығын басқару және оларды оптимальді қолдану күрделі орындалатын тапсырма болғандықтан арнайы деңгейдегі бағдарламалық қамтаманы операциялық жүйе деп атайды.

Есептеу жүйесінің даму тарихы көптеген уақытты қамтиды. Ең алғашқы  нағыз цифрлы компьютерді ағылшын  математигі Чарльз Бэббидж жасады. Бұл таза механикалық машина болды, ол заманғы технология машина детальдарын  және жоғары механизмді дәлдікті жасауға  әлі дамымаған еді.

Бірінші кезеңнің (1945-1955) басты жаңалығы электронды лампалар болды, ал қазір олар 300 электронды лампалар қолданатын цифрлы компьютерлер болып табылады. Бұл уақытта КСРО да МИНСК, БЭСМ және т.б. типті ЭЕМ пайда болды. Барлық бағдарламалар машиналық тілде немесе электрлік схемаларда жүргізілді.

Екінші кезеңнің (1955-1965) негізі транзисторларды және пакетті өңдеу режимдерін қолдану болды. Компьютерлер біршама сенімдірек бола бастады, машиналар ұзақ уақыт жұмыс істеп, әрі пайдалы функцияларды  орындайтындай жоғары ықтималдық пайда болды. Машиналарды, қазіргі мейнфреймдерді жоғары білікті операторлар басқарып, оларды желдеткіші бар арнайы бөлмелерде орналастырды. Бірінші рет жобалаушы (проектировщик), жинақтаушы (сборщик), операторлар, программисттер және қызмет көрсетуші персонал арасында айырмашылық пайда болды. Бағдарламалар негізінен Фортран және ассемблер тілдерінде құрылды, ал басты операциялық жүйелер ретінде FMS (Fortran Monitor System) және IBSYS (IBM бірлестігімен жасалған IBM 7094 компьютеріне арналған операциялық жүйе) қолданылды.

Үшінші кезең (1965-1980) көп режимді тапсырмалар интегралды сұлбаларда жүзеге асты. Өндірушілер үшін даму мен қолдауды жүзеге асыру  әртүрлі жанұяларда қиынға соқты. IBM фирмасы IBM  System/360 сериялы машинасын шығарып, мұндай мәселелерді бірден шешуді көздеді. Бұл серия біріккен-бағдарламалық машиналар үшін компьютерлерден өзгеше, IBM 1401 машинасы IBM 7094 машинасына қарағанда күшті болды. Бұл компьютерлер бағасы мен шығарылымымен (максималды жады көлемімен, процессордың жылдамдығымен, енгізу/шығару құрылғыларының мүмкін санымен және т.б.) ғана ерекшеленді. Соңғы жылдары заманауи технологияларды көбірек қолдана келе, IBM корпорациясы 360-шы сериялы машиналармен бірге компьютерлер шығарды, бұл сериялар 370, 4300, 3080, 3090 номерлі сериялармен таныс. КСРО кезінде ЕС, БЭСМ, СМ және ПС типті сериялар жүйесі шығарылды.

Әр қолданушыда диалогты терминал бар, яғни жауапты күту уақытын  азайту мақсатында уақытты бөлу жасалды. Бірақ уақытты бөлу режимі үшінші кезең машиналарында қажетті кең ауқымда пайдаланатын техникалық қорғаныс құралдары пайда болмайынша, бірден танымал болған жоқ.

Төртінші кезең (1980 жылдан қазірге дейін): персоналды компьютерлер. Ол ҮИС – үлкен интегралды сұлбалардың пайда болуымен байланысты (LCI- Scale Integration) – бір квадрат сантиметрде ғана мыңдаған транзисторлар бар кремнийлік микросұлбалар.

Сұлбалық негізгі компоненттер есептеу жүйесінде 1-ші суретте көрсетілген. Суреттің төменгі бөлігінде аппараттық қамтама көрсетілген. Ол микросұлбадан, тақшадан (плата), дисктерден, пернетақтадан, монитордан және осыған ұқсас физикалық объекттерден тұрады. Аппараттық қамтамада бағдарламалық қамтама бар, яғни кездеседі. Көптеген коипьютерлерде екі жұмыс режимі болады: ядро режимі және пайдаланушы режимі.

 

Веб-браузер  Электронды поштаны    Музыкалық плеер

оқу бағдарламасы

 

Қолданушы интерфейсінің  бағдарламасы

Операциялық жүйе

Қолданушының 

жұмыс режимі

 

 

Бағдарламалық

 қамтама

Ядро жұмысының

режимі  

 

 

Аппараттық қамтама

 

 

1.1 сурет. Бағдарламалық  қамтама құрылымындағы операциялық  жүйенің орны

Суреттің төменгі бөлігінде  аппараттық қамтама көрсетілген. Ол микросұлбадан, тақшадан (плата), дисктерден, пернетақтадан, монитордан және осыған ұқсас физикалық объекттерден тұрады. Аппараттық қамтамада бағдарламалық қамтама бар, яғни кездеседі. Операциялық жүйе – бағдарламалық қамтаманың ядро режимінде (бұл режимді супервизор режимі деп те атайды) жұмыс істейтін басты бөлігі. Бұл режимде ол барлық аппараттық қамтамаға қатынас жасай алады және машинаның орындай алатын күйіне барлық инструкциялар арқылы әрекет ете алады. Барлық бағдарламалық қамтаманың қалған бөлігі пайдаланушы режимінде жұмыс істейді, оған машинаның кей бөлігі ғана қатынай алады.

Операциялық жүйелердің пайдаланушы  бағдарламасынан айырмашылығы тек  орналасу жағдайына байланысты емес. Олардың ерекшелігі–өте үлкен көлем, күрделі құрылым және қолдану мерзімінің ұзақтығы. Операциялық жүйелер ұзақ уақыт даму үстінде. Windows 95/98/Me жанұясы негізінен бір ғана операциялық жүйені қамтыған, ал Windows NT/2000/XP/Vista–басқа операциялық жүйені қамтыды. Пайдаланушылар үшін олар бір біріне өте ұқсас болды, себебі Microsoft  Windows2000/XP пайдаланушы интерфейсінің ұқсас жүйе болуын қамтамасыз етті, көбінесе ол Windows 98дің орнын басу үшін болды. Windows 98ді өзгертуде Microsoft тың өзіндік себептері болды.

Персоналды компьютерлер әлеміндегі ең басты бәсекелестердің бірі UNIX операциялық жүйесі (және осы жүйенің әртүрлі шығарылымдары). UNIX операциялық жүйесі жүйелік және өндірістік серверде үлкен позицияларға ие, сондай ақ тез дамушы елдерде әсіресе, Үндістан мен Қытайда үстелдік компьютерлерде кең таралған. UNIX тің көптеген қолданушылары, әсіресе тәжірибелі программисттер командалық қатар негізіндегі интерфейсті қалайды, UNIX жүйесі түгел дерлік Массачусет технологиялық институтында жасалған X Windows System (XII) терезесімен басқару жүйесін қалайды. UNIX операциялық жүйесінің варианттары және ұстанымдары көп жылдар бойы System V, Solaris және FreeBSD сияқты версияларында дамыды. Linux операциялық жүйесінің моделі UNIX ке жақын және жоғары дәрежелі жүйеге ие болғанымен, ол жаңа бағдарламалық негізді болып табылады. Бұл жүйе Pentium процессорлы компьютерлерге орнатылады және студенттер мен корпоративті пайдаланушылар үшін Windows танымал альтернатив болды.

80-ші жылдардың ортасында персоналды компьютерлердің операциялық жүйелермен жұмыс істейтін желілері дами бастады. Желілік операциялық жүйелерде пайдаланушылар көптеген компьютерлердің бар екендігін және өшірілген машина жүйесіне кіруді, файлдарды бір машинадан екіншісіне көшіруге болатындығын біледі. Әр машинада өзіндік локальді операциялық жүйе жұмыс істейді және машинаның өзінің жеке меншік локальді пайдаланушысы (немесе пайдаланушылары) бар. Желілік операциялық жүйелер бір процессорлы операциялық жүйелерден еш өзгешелігі жоқ. Оларға желілік интерфейстің бақылаушысы (контроллер) және анықталған төменгі деңгейлі бағдарламалық қамтама керек. Бақылаушыларды басқару үшін, сондай ақ өшірілген машина жүйесіне кіруді және өшірілген файлдарға қатынауды жүзеге асыру үшін бақылаушы керек. Бірақ бұл толықтырулар операциялық жүйенің негізгі құрылымын өзгертпейді.

Бұған қарағанда, үлестірілген операциялық жүйе өз қолданушыларына дәстүрлі бір процессорлы жүйе болып табылады, ал негізінде оның құрамында көптеген процессорлар жұмыс істейді. Пайдаланушыларға бағдарламаның дәл қайда орындалатындығын немесе файлдары қайда орналасқандығын тіпті білудің қажеті жоқ; мұның барлығы операциялық жүйеде автоматты және эффективті түрде орындалуы қажет.

Пайдаланушыларға өз паролін  өзгертуге мүмкіндік беретін  бағдарламалар жиі кездеседі. Бұл  бағдарламалар операциялық жүйенің  бөлігі болып табылмайды және ядро режимінде жұмыс жасамайды, бірақ  олар маңызды функциялар атқарады және ерекше түрде қорғалған болуы  керек. Кейбір жүйелерде бұл идея шектік формаға дейін берілген. Және операциялық жүйеге дәстүрлі қатынайтын аумақтар (мысалы файлдық жүйе) қолданушы кеңістігінде жұмыс жасайды. Мұндай жүйеде нақты шекарасын орындау қиынға соғады.

Негізгі әдебиет[]

Қосымша әдебиет[]

Бақылау сұрақтары

1. Есептеу жүйелерінің компоненттері
2. Операциялық жүйелердің компоненттері
3. Есептеу жүйесінің даму кезеңдері
4. ОЖ-нің жұмыс режимдері

 

2.Есептеу жүйесінің аппараттық және бағдарламалық компоненттері

Орталық процессор (ОП) – бұл компьютердің «миы». Ол жадыдан командаларды таңдап және оларды орындайды. ОП-дің қарапайым жұмыс циклы келесідей көрінеді: бірінші команданы жадыдан таңдау, оның типін және операндын анықтау үшін декодтау, осы команданы орындау, сосын таңдау, декодтау және кезектегі командаларды орындау. Бұл цикл бағдарлама аяқталғанша жұмыс істейді. Осыған орай бағдарламаның орындалуы жүзеге асады.

Процессорларда бағдарламалаушыларға ғана тиісті арнайы регистрлар қатары бар. Бұл регистрлердің бірі команда санағышы (счетчик) келесі таңдалатын команданың жады ұяшығы адресін қамтиды. Басқа арнайы регистр стек көрсеткіші ағымдағы жады шыңына сілтейді. Әр процедура үшін стек бір фреймнен (мәліметтер облысы) тұрады, яғни кіріп, бірақ әлі шықпаған бағдарлама үшін.

Тағы бір регистр бағдарлама күйі сөзін– PSW (Program Status Word) қамтиды. Бұл регистрде салыстыру инструкциясымен орнатылған шарт кодының биті, сондай ақ ОП-дың приоритетін басқаратын биттері, режимдер (пайдаланушы және ядро) және қолданушылық биттері сақталады. Әдетте пайдаланушы бағдарламалары PSW регистрін түгелдей қамтуы мүмкін, бірақ оның кейбір жолдарын ғана жаза алады.

Қазіргі заманауи процессорлар бір мезгілде бірнеше командаларды орындауға мүмкіндігі бар. Яғни, процессордың таңдау, декодтау және командаларды орындау үшін жеке блоктары болуы мүмкін, онда n командаларды орындау кезінде, ол n+1 командасын декодтай алады және n+2 командасын таңдауды жүзеге асыра алады. Осындай ұйымдасқан жұмыс конвейер деп аталады.

Суперскалярлы процессорлар өте жоғарғы конструкцияға ие. Оның бірнеше орындаушы блоктары бар: бірі–бүтін санды арифметика үшін, екіншісі–жылжымалы үтірлі санды арифметика үшін, ал үшіншісі–логикалық операциялар үшін. Бір уақытта декодталатын және сақтау буферіне ауысып, өзінің орындалуын күтетін екі немесе одан да көп командалар таңдалады. Орындаушы блок босай сала, өзі орындай алатын командалар үшін сақтау буферіне қатынас жасайды. Егер ондай команда бар болса, оны буферден шығарып, сосын орындайды. Нәтижесінде бағдарлама командалары көбінесе кезектесіп орындалмайды. Осыған орай тізбектеле кезектесіп орындалатын командалардың соңғы нәтижесінің бір біріне сәйкес келуі аппаратураға негізделген.

Жады жүйесі иерархиялық  деңгей түрінде құрылады. Жоғарғы  деңгейі процессордың ішкі регистрларынан тұрады. Олар процессор сияқты технологиямен орындалады, сол себепті жұмыс жылдамдықтары бірдей. Әдетте ішкі регистрлар 32x32 бит 32-разрядты процессорге немесе 64x64 бит 64- разрядты процессорге сақтауға мүмкіндік береді. Екі жағдайда да көлем бір килобайттан аспайды. Одан кейін аппаратураның басты образы кэш- жады келеді. Оперативті жады кэш – қатарларға бөлінеді, әдетте адресте 64 байт, 0– ден 63 кэш–қатар 0, 64–тен 127–ге дейін кэш–қатар 1, және т.с.с. Қазіргі заманауи процессорлар кэш–жадының бірден екі деңгейіне ие. Бірінші деңгей, немесе кэш L1 әрқашан процессордың бөлігі болып табылады. Және әдетте декодталған командаларды процессорлік механизм орындаушы командаларға береді. Бұл кэш–ке процессор қосымша кэш–L2 екінші деңгейін негіздейді, ол жақын арада қолданылған бірнеше мегабайтты сақтайды. Бірінші деңгейлі кэш–жадыға қатынау кедергісіз жүзеге асады, ал екінші деңгейлі кэш–жадыға қатынау бір немесе екі такт күтуді талап етеді.

Келесі иерархия–оперативті  жады. Бұл машина жадысының басты жұмыс аумағы. Оперативті жадыны көбінесе ОЕҚ (оперативті есте сақтау құрылғысы) немесе таңдалған қатынау жадысы RAM (Random Access Memory) деп атайды. Көптеген компьютерлер оперативті жадыға қосымша таңдалған қатынау жадысы–тұрақты есте сақтау құрылғысымен (ПЗУ) қамтылған, ол тек қана оқуға арналған жады – ROM (Read Only Memory). Тағы бір жадының түрі – энергияға тәуелді CMOS-жады. Көптеген компьютерлерде бұл жады ағымдағы күн, мерзім мен уақытты сақтауға қолданылады.

  Көптеген компьютерлер виртуалды жады деп аталатын сұлбаны қолдайды. Ол компьютердің физикалық жадысының көлемінен асып кететін бағдарламаларды жүктеуге мүмкіндік береді, олар дискке орналастыру үшін және кэштің түрі ретінде оперативті жадыны қолдану үшін интенсивті қолданылатын бөлігі болып табылады. Адрестің көрінуі MMU (Memory Management Unit) – жадыны басқару блогы немесе жады диспетчері деп аталатын орталық процессор бөлігінде жүзеге асады.

Жадының иерархиялық соңғы  деңгейінде магнитті лента келтірілген. Бұл ақпаратты тасушы резервті көшірмені құру және үлкен көлемді мәліметтерді сақтау үшін жиі қолданылады.

Енгізу–шығару құрылғысы әдетте екі компоненттен тұрады: құрылғының өзінен және оның бақылаушысынан (контроллер). Бақылаушы физикалық деңгейдегі құрылғыларды басқаратын микросұлба немесе микросұлба жиынын көрсетеді. Ол операциялық жүйеден командаларды қабылдайды, мысалы құрылғы көмегімен мәліметтерді санап, сосын оларды орындайды.

Процессордың жұмысының  жылдамдығы және жадысының артуына  байланысты, қосымша шиналар жылдам жұмыс жасайтын енгізу–шығару құрылғылары пайда болды. Екі негізгі шиналарға ISA (Industry Standard Architecture-стандартты өндірістік архитектура), IBM PC шинасы және оның мұрагері PCI (Peripheral Component Interconnect-перифериялық құрылғылар интерфейсі) жатады. Одан басқа, жүйеге үш арнайы шиналар: IDE, USB және SCSI кіреді. IDE шинасы жүйеге дисктік құрылғыны қосу, сондай ақ оқу және DVD, компакт диск жазбаларын қосу үшін қолданылады. IDE шинасы РС/АТ дискісінің бақылаушы интерфейсінен шыққан. USB шинасы (Universal Serial Bus-әмбебап тізбекті шина) компьютерлерге төменгі жылдамдықты пернетақта және тышқан сияқты енгізу–шығару құрылғыларын қосу үшін пайда болған. Тағы бір шина–IEEE 1394. Кейде оны Fire Wire деп атайды, ал негізінен Fire Wire–бұл Apple компаниясының IEEE 1394 шинасы үшін қолданатын атауы болып табылады.