Понятие аппаратно программной системы

Программно-аппаратный комплекс — это набор технических и программных средств, работающих совместно для выполнения одной или нескольких сходных задач.

Аппаратно-программный комплекс — техническое решение концепции алгоритма работы сложной системы, управление которой осуществляется, как правило, исполнением кода из определённого базового набора команд (системы команд).

Состоит, соответственно, из двух основных частей:

• Аппаратная часть (англ. hardware ) — устройство сбора и обработки информации например компьютер, плата видеозахвата, биометрический детектор, калибратор и т. п.
• Программная часть (англ. software ) — специализированное программное обеспечение (как правило, написанное компанией-производителем аппаратной части), обрабатывающее и интерпретирующее данные, собранные аппаратной частью. Например: встроенное программное обеспечение, операционная система.

§1. Понятие аппаратно- программной системы.

Каждый специалист, занимающийся обслуживанием персональных компьютеров, дол­жен хорошо представлять себе взаимосвязь между аппаратными средствами и про­граммным обеспечением.

На заре вычислительной техники главное внимание уделялось аппаратуре. Первые программы создавались для конкретных компьютеров, программное обеспечение, как правило, запаздывало в своем развитии по отношению к аппаратуре и зачастую носило вторичный характер. С появлением в середине 1970-х годов персональных компьютеров разработчики поняли, что компьютер будет привлека­телен для пользователей лишь при наличии большого выбора программного обеспечения. Вместо программ, ориентированных на конкретные типы машин, необходимо было соз­дать универсальную оболочку, которая управляла бы ресурсами компьютера и запускала на исполнение прикладные программы. При таком подходе они должны были стать перено­симыми, т.е. выполняться на системах с различными аппаратными средствами. Подобные универсальные программные оболочки стали называться операционными системами (ОС). Когда инженеры компании IBM разработали первый персональный компьютер, они вы­брали для него простую операционную систему с пользовательским интерфейсом в виде командной строки. Эту ОС IBM приобрела по лицензии у малоизвестной в то время фир­мы под названием Microsoft. Далее понадобилось множество программ, которые позволяли управлять аппаратными средствами компьютера, изменять их характеристики тестировать и т.д.

Взаимосвязь между аппаратными и программными средствами часто изображаются в виде иерар­хической структуры, показанной на рисунке.

На каждом из уровней иерархии в процессе работы компьютера выполняются свои строго определенные задачи. Таких уровней три- аппаратные средства, BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода/вывода), ПО.

Ядром иерархии компьютера являются аппаратные средства, поскольку что-то должно исполнять написанные программы. К аппаратным средствам относятся различные электронные компоненты, накопители, платы расширения, источники питания, периферийные устройства и соединяющие их проводники и кабели. К ним же относятся внешние по отношению к системному блоку компьютера компоненты: мониторы, клавиатуры, манипуляторы, принтеры и т.п.

Посылая соответствующие цифровые коды в различные порты ввода/вывода, или записывая их в различные ячейки памяти, можно управлять практически всем, что прямо или косвенно подключено к центральному процессору системы. Однако для того чтобы управлять устройствами, входящими в состав вычислительной системы, на аппаратном уровне, необходимо очень хорошо разбираться их схемотехнике.

Посредником между аппаратными средствами и программами является BIOS- базовая система ввода/вывода.

BIOS — это набор небольших программ (функций BIOS), каждая из которых предназначена для управления одной из основных подсистем компьютера (видео и дисковой системы, клавиатуры и т.п.). Эти функции инициализируется с помощью стандартных вызовов первоначально разработанных фирмой IBM.

Когда необходимо, чтобы BIOS выполнила какую-либо стандартную процедуру, то вызывается соответствующая программа BIOS (операционной системой или программным путем), обслуживающая конкретное устройство в компьютере и разработанная специально для этого устройства. Кроме выполнения функций по обслуживанию аппаратных средств, BIOS при каждом включе­нии компьютера проводит процедуру его самопроверки (POST— Power—On Self—Test). Она необходима для того, чтобы проверить все основные подсистемы компьютера перед по­пыткой загрузить операционную систему.

Поскольку для каждой модели системной платы разрабатывается собственная BIOS, она хранится на самой плате в интегральной микросхеме постоянного запоминающего устройства (ПЗУ или ROM — Read—Only Memory). В новейших системах в качестве «храни­лища» BIOS используется электрически перепрограммируемое постоянное запоминаю­щее устройство (flash—ROM), позволяющее модернизировать BIOS без замены самой мик­росхемы.

Программное обеспечение является очень широким понятием, включающим:

системное программное обеспечение компьютеров;

прикладное программное обеспечение, используемое для решения задач любой предметной области (в виде пакетов прикладных программ);

инструментарий технологии программирования (программное обеспечение сферы производства программ).

Для оптимальной работы компьютера необходимо:

уметь диагностировать аппаратные составляющие, изменять их характеристики.

грамотно устанавливать и настраивать программы ,

разбираться в настройках BIOS setup.

Это позволяет выделить следующие направления курса:

Изучение тестовых программ для процессора, жесткого диска, видеокарты и монитора, CD приводов.

Изучение программ для оптимизации работы ОС: восстановление данных, настройка реестра и т.д.

Изучение настроек BIOS setup.

Знакомство с инструментальной средой программирования для разработки программно- аппаратных систем.

Базовые понятия вычислительной системы

Для введения в дисциплину ознакомимся с основными понятиями, которые определяют ее содержание. Рассмотрим понятия «вычислительная машина», «вычислительная система», определим разницу между компьютерами и информационной системой, между понятиями «архитектура» и «структура» аппаратных средств вычислительной системы.

Согласно ГОСТ 15971-90 вычислительная машина (ВМ) — совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получения результата в необходимой форме. Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение.

Вычислительную машину, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ).

В последнее время в отечественной литературе широкое распространение получил англоязычный термин «компьютер» (англ. Computer — вычислитель). Мы будем использовать эти термины как равноправные. Следует отметить, что в настоящее время активно ведутся разработки компьютеров, работа которых основана на оптических, фотонных, квантовых и других физических принципах. Например, оптические компьютеры в своей работе используют скорость света, а не скорость электричества, что делает их наилучшими проводниками данных. Сверхъестественный мир квантовой механики не подчиняется законам общей классической физики. Квантовый бит (qubit) не существует в типичных 0- или 1-бинарных формах сегодняшних компьютеров — квантовый бит может существовать в одной из них или же в обеих системах одновременно. В связи с этим понятие «электронная вычислительная машина», в котором акцентируется, что машина построена на основе электронных устройств, становится более узким, чем понятие «компьютер».

С развитием вычислительной техники появились многопроцессорные системы и сети, объединяющие большое количество отдельных процессоров и вычислительных машин, программные системы, реализующие параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. Появился термин «вычислительные системы».

Система (от греч. systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Объект (от лат. objectum — предмет) — это термин, используемый для обозначения элементов системы.

Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1 -93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.

Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.

Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.

Таким образом, вычислительная система является результатом интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние и внутренние физические компоненты компьютерной системы (из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).

Программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 — это совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.

С технической точки зрения вычислительная система — это комплекс вычислительных средств, объединенных в информационновычислительную сеть.

Основной отличительной чертой вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним процессором обладают разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.

Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем.

Информационная система — это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы [1, ст. 2] (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010).

Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Информационная система с технической точки зрения — это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

С развитием средств вычислительной техники изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных и программных средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия аппаратных и программных средств. Так возникло новое понятие — архитектура вычислительной машины.

Архитектура (architecture)— это базовая организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы [ИСО/МЭК 15288:2008, определение 4.5].

Архитектура вычислительной машины (Computer architecture) — это концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения [ГОСТ 15971-90, определение 29].

Таким образом, архитектуру вычислительной машины можно представить как множество взаимосвязанных компонентов, включающих элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware), создающих возможность проведения обработки информации и получения результата в необходимой форме.

Следует отличать архитектуру вычислительной машины от ее структуры.

Структура — это отношение между элементами системы [ISO/ IEC2382/1 -93].

Структура вычислительной машины определяет отношение между ее элементами (множество взаимосвязанных компонентов) на уровне детализации. Элементами детализации могут быть различные функциональные узлы (блоки, устройства и т.д.). Графически описание вычислительной машины на любом уровне детализации представляется в виде структурных схем.

Под архитектурой вычислительной машины понимают общее описание принципов организации аппаратно-программных средств и основных их характеристик, определяющих функциональные возможности вычислительной машины.

Архитектура вычислительной системы — совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей.

Понятие архитектуры охватывает общие понятия организации системы, включающие такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера, как система памяти, структура системной шины, организация ввода/вывода и т.п.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ЗУ), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.