Информационные технологии. 2-е издание. Учебное пособие

В настоящее время существует несколько основных направлений в развитии аппаратных платформ.

1. Переход к многоядерным платформам, построенным на основе многоядерных микропроцессоров

Многоядерный процессор содержит два или больше вычислительных ядер на одном кристалле. Он имеет один корпус и устанавливается в один разъем на системной плате, но операционная система воспринимает каждое его вычислительное ядро как отдельный процессор с полным набором вычислительных ресурсов. В отличие от последовательного выполнения операций одноядерными микропроцессорами с максимально возможной тактовой частотой процессоры с многопроцессорной обработкой на уровне кристалла будут обеспечивать высочайшую производительность при более приемлемых тактовых частотах благодаря параллельному выполнению множества операций. Кроме ядер общего назначения планируется включение специализированных ядер для выполнения различных классов вычислений, таких как графика, алгоритмы распознавания речи и обработка коммуникационных протоколов.

2. Перенос функций специализированного аппаратного обеспечения на кристалл микропроцессора

Специализированное аппаратное обеспечение – важная составляющая архитектур процессоров и платформ. В настоящее время специализированное аппаратное обеспечение используется для выполнения вычислений с плавающей запятой, обработки графики и сетевых пакетов. Развитие специализированного аппаратного обеспечения идет по следующим направлениям:

• цифровая обработка сигналов;

• рендеринг трехмерной графики;

• расширенная обработка изображений;

• распознавание речи и рукописного текста;

• обработка XML и других Internet-протоколов;

• извлечение информации, а также обработка естественх языков.

Кроме того, одним из направлений развития специализированного аппаратного обеспечения является передача их функций непосредственно микропроцессору. Перенос выполнения функций на кристалл ведет к увеличению скорости обработки задач, существенной экономии места и значительному сокращению энергопотребления, что позволяет удовлетворить потребности производительности и функциональности архитектур процессоров и платформ.

Рендеринг (англ. rendering – «визуализация») в компьютерной графике – это процесс получения изображения по модели с помощью программного обеспечения.

3. Разработка подсистем памяти большой емкости, расположенных непосредственно на кристалле микропроцессора

По мере постоянного роста производительности микропроцессоров доступ к памяти может стать серьезной проблемой. Для того чтобы загрузить множество высокопроизводительных ядер соответствующим количеством данных, важно организовать подсистему памяти таким образом, чтобы память большой емкости находилась на кристалле и ядра имели к ней прямой доступ. Это возможно путем оснащения микропроцессоров внутрикристалльными подсистемами памяти большой емкости порядка нескольких гигабайт. Она позволит заменить обычную оперативную память во многих вычислительных устройствах. Кэш-память планируется сделать реконфигурируемой, чтобы динамически перераспределять память для разных ядер. Некоторые области памяти могут быть выделены определенным ядрам, совместно использоваться группами ядер или использоваться всеми ядрами глобально в зависимости от потребностей приложений.

4. Выделение интеллектуального микроядра для решения задач управления аппаратным обеспечением

Для управления сложными процессами, такими как назначение задач ядрам, включение и выключение ядер при необходимости, реконфигурация ядер при изменении рабочей загрузки, и многими другими микропроцессорам потребуется большая доля встроенных интеллектуальных способностей. В архитектурах с развитыми возможностями параллельной обработки процессор сам по себе сможет выполнять несколько потоков вычислений, невидимых на пользовательском уровне, разделяя приложение на потоки, которые могут выполняться параллельно. Один из способов эффективного выполнения всех этих задач – встроенное интеллектуальное микроядро, дополняющее программное обеспечение высокого уровня для решения задач всестороннего управления аппаратным обеспечением.

2.2. Операционные системы как составная часть платформы

Операционные системы (ОС) являются важной составной частью платформы в ИТ. Они отражают как развитие аппаратных средств, так и стремление разработчиков улучшить функциональные характеристики, повысить степень комфортности ОС по отношению к пользователям.

Операционная система выполняет функции автоматического управления рядом подсистем персонального компьютера и предоставляет готовые процедуры управления его внутренними и внешними ресурсами, т. е. операционная система является некоей автоматической системой управления работой и ресурсами компьютера, повышающей удобство и эффективность его использования.

Каждый персональный компьютер (аппаратная платформа) обязательно комплектуется операционной системой, для которой создается свой набор прикладных решений (приложений, прикладных программ).

Операционная система– совокупность программ для управления вычислительным процессом персонального компьютера или вычислительной сети.

В процессе развития большинство операционных систем модифицируются и совершенствуются в направлении исправления ошибок и включения новых возможностей. В целях сохранения преемственности новая модификация операционной системы не переименовывается, а приобретает название версии.

Операционные системы, подобно аппаратной части компьютеров, на пути своего развития прошли через ряд радикальных изменений, так называемых поколений. Для аппаратных средств смена поколений связана с принципиальными достижениями в области электронных компонентов: вначале вычислительные машины строились на электронных лампах (первое поколение ЭВМ), затем на транзисторах (второе поколение), интегральных микросхемах (третье поколение), а сейчас – по преимуществу на больших и сверхбольших интегральных схемах (четвертое поколение). Появление каждого из этих последовательных поколений аппаратных средств сопровождалось резким уменьшением стоимости, габаритов, потребляемой мощности и тепловыделения и столь же резким повышением быстродействия и объемов памяти компьютеров.

На одной и той же аппаратной платформе могут функционировать различные операционные системы, имеющие разную архитектуру и возможности. Однако при этом следует учитывать, что различные ОС представляют разную степень сервиса для программирования и работы с прикладными программами пользователей. Кроме того, для их работы необходимы различные ресурсы оперативной памяти.

Современные операционные системы можно классифицировать по различным признакам, представленным в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Классификация операционных систем

В целом функции, выполняемые операционными системами разных классов и видов, достаточно схожи и направлены на обеспечение поддержки работы прикладных программ, организацию их взаимодействия с устройствами, предоставление пользователям возможности работы в сетях, а также управление функционированием персонального компьютера. Поэтому при выборе операционной системы пользователь должен четко представлять, насколько та или иная ОС обеспечит ему решение его задач.

Чтобы выбрать ту или иную операционную систему, необходимо знать:

• на каких аппаратных платформах и с какой скоростью работает ОС;

• какое периферийное аппаратное обеспечение операционная система поддерживает;

• как полно удовлетворяет ОС потребности пользователя, т. е. каковы функции операционной системы;

• каков способ взаимодействия ОС с пользователем, т. е. насколько нагляден, удобен, понятен и привычен пользователю интерфейс;

• существуют ли информативные подсказки, встроенные справочники и т. д.;

• какова надежность системы, т. е. ее устойчивость к ошибкам пользователя, отказам оборудования и т. д.;

• какие возможности предоставляет операционная система для организации сетей;

• обеспечивает ли ОС совместимость с другими операционными системами;

• какие инструментальные средства имеет ОС для разработки прикладных программ;

• осуществляется ли в ОС поддержка различных национальных языков;

• какие известные пакеты прикладных программ можно использовать при работе с конкретной операционной системой;

• как осуществляется в ОС защита информации и самой операционной системы.

2.3. История развития операционных систем

В первых вычислительных машинах операционных систем не было. Пользователи имели полный доступ к машинному языку и все программы писали непосредственно в машинных кодах.

1-й этап (50-е гг. ХХ в.)

Считается, что первую операционную систему создала в начале 50-х гг. для своих компьютеров исследовательская лаборатория фирмы General Motors. Операционные системы 50-х гг. были разработаны с целью ускорения и упрощения перехода с задачи на задачу. До создания этих операционных систем много машинного времени терялось в промежутках между завершением выполнения одной задачи и вводом в решение следующей. Это было начало систем пакетной обработки, которые предусматривали объединение отдельных задач в группы, или пакеты. Запущенная в решение задача получала в свое полное распоряжение все ресурсы машины. После завершения каждой задачи управление ресурсами возвращалось операционной системе, которая обеспечивала ввод и запуск в решение следующей задачи.

Уже в первых операционных системах появилась концепция имен системных файлов как средства достижения определенной степени независимости программ от аппаратной части. Это дало пользователю возможность не задавать непосредственно в программе конкретные номера физических устройств, а указывать стандартный системный файл ввода как устройство, с которого считываются управляющие перфокарты, или стандартный системный файл вывода как устройство для распечатки результатов.

К концу 50-х гг. ведущие фирмы-изготовители компьютеров поставляли операционные системы со следующими характеристиками:

• пакетная обработка одного потока задач;

• наличие стандартных подпрограмм ввода-вывода, позволяющих пользователю не касаться деталей программирования процессов ввода и вывода на машинном языке;