Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежская государственная лесотехническая академия»

А.В. Стариков

ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

Учебное пособие

Часть I

Введение в информатику.

Программно-техническая организация персонального компьютера

Воронеж 2007

УДК 004.38/.45 С 77

Стариков, А. В. Основы информатики [Текст] : учеб. пособие. В 2 ч. Ч 1. Введение в информатику. Программно-техническая организация персонального компьютера / А. В. Стариков ; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2007. – 144 с. – ISBN 978-5-7994-0214-3. В пособии представлен переработанный и значительно сокращенный материал по дисциплине Информатика, в течение ряда лет читаемый автором студентам, обучающимся по специальности 060800 (080502) – Экономика и управление на предприятии (лесной комплекс) на факультете Технология деревообработки ГОУ ВПО «ВГЛТА». В первой части пособия рассмотрены начальные понятия информатики и вопросы, связанные с традиционной архитектурой компьютеров, а также важнейшие аспекты программно-технической организации персональных компьютеров. Табл. 8. Ил. 31. Библиогр.: 52 назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУ ВПО «ВГЛТА» Рецензенты: канд. физ.-мат. наук, доц. ВГТУ Е.В. Бордаков,

кафедра математического обеспечения ЭВМ факультета прикладной математики, информатики и механики ВГУ

© Стариков А.В., 2007 ISBN 978-5-7994-0214-3 © ГОУ ВПО «Воронежская государственная

лесотехническая академия», 2007

3

Введение

Цели, задачи и структура учебной дисциплины

Учебная дисциплина “Информатика” включена в цикл “Общие математи-ческие и естественнонаучные дисциплины” Государственных образовательных стандартов для следующих специальностей: 060800 (080502) Экономика и управление на предприятии (по отраслям) [1]; 060500 (080109) − Бухгалтерский учет, анализ и аудит [2].

Согласно данным стандартам, дисциплина “Информатика” изучает: поня-тие и основные свойства информации; понятие и общую характеристику ин-формационного процесса (как совокупности взаимосвязанных процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации); технические и программные средства реализации информационных процессов; модели решения функцио-нальных и вычислительных задач; основы алгоритмизации, языков, систем и технологий программирования; базы данных; локальные и глобальные сети ЭВМ; понятие информационной безопасности, методы и средства защиты ин-формации.

Тематическое содержание учебной дисциплины “Информатика” конкре-тизировано в соответствующей Рабочей программе [3]. В частности, структурно изучение дисциплины может быть представлено следующими восемью разде-лами (темами):

1. Общие теоретические основы информатики. 2. Компьютерные технологии обработки информации. 3. Программно-аппаратная организация IBM PC-совместимых компьюте-ров.

4. Основы работы пользователя в операционной среде персонального компьютера.

5. Основы работы в среде локальных и глобальных компьютерных сетей. 6. Основы работы с прикладными программами общего и специального назначения.

7. Основы алгоритмизации и программирования. 8. Основы защиты информации. Студент, успешно усвоивший курс информатики, должен: − иметь представления об информационных ресурсах общества как эко-

номической категории; − знать основы современных компьютерных технологий и понимать их

влияние на успех в профессиональной деятельности; − знать современное состояние уровня и направлений развития вычисли-

тельной техники и программных средств; − уверенно работать в качестве пользователя IBM PC-совместимого ком-

пьютера, самостоятельно использовать внешние носители информации для

4

обмена данными между компьютерами, создавать резервные копии и архивы данных и программ;

− уметь работать с программными средствами общего назначения, соот-ветствующими современным требованиям мирового рынка программного обеспечения;

− иметь навыки работы в локальных и глобальных компьютерных сетях, использовать в профессиональной деятельности сетевые средства поиска и обмена информацией;

− владеть основами автоматизации решения экономических задач; − владеть приемами антивирусной защиты.

Что такое информатика?

Термин “информатика” возник в начале 1960-х годов во французском

языке (informatique) для обозначения области автоматизированной переработки информации. Этот термин своеобразный гибрид двух слов − информация (in-formacion) и автоматика (automatique). От первого он унаследовал начало ново-го слова, а от второго − конец. Следует отметить еще один терминологический нюанс, имеющий отношение к технике в целом. Автоматизированный процесс означает не то же самое, что автоматический. Автоматический процесс проте-кает без участия человека, автоматизированный же предполагает сочетание функций человека и технического устройства. Именно такой характер имеет информационная техника (и реализуемые посредством ее информационные процессы) во второй половине XX и начале XXI веков.

Поскольку термин “информатика” был введен французами, интересно знать его толкование, которое приведено в Энциклопедическом словаре, выпу-щенном Французской академией наук. Итак, информатика − это “наука об осу-ществляемой преимущественно с помощью автоматических средств целесооб-разной обработке информации, рассматриваемой как представление знаний и сообщений в технических, экономических и социальных областях”.

Приведем высказывания ряда крупных отечественных ученых по поводу того, что следует понимать под словом “информатика”.

Академик А.П. Ершов: Информатика − это “название фундаментальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации”.

Академик А.А. Дородницын: В составе информатики надо видеть “три неразрывно и существенно связанные части − технические средства, программ-ные средства и алгоритмические средства”.

Академик В.С. Михалевич: “Эта комплексная научная и технологическая дисциплина изучает прежде всего важнейшие аспекты разработки, проектиро-вания, создания, “встраивания” машинных систем обработки данных, а также их воздействие на жизнь общества”.

5

Академик Е.П. Велихов: “Информатика охватывает очень широкую об-ласть обработки информации, гораздо более обширную, чем создание вычисли-тельных машин и их математического обеспечения...”.

Таким образом, суммируя вышеизложенное, можно сформулировать сле-дующее определение: информатика − это наука обо всей сфере автоматизиро-ванной переработки и использования информации в обществе; при этом в каче-стве основного средства автоматизированной переработки информации следует рассматривать компьютер.

Информатика изучает информационные процессы, под которыми пони-маются процессы восприятия, передачи, обработки (преобразования) и исполь-зования информации. Информационный процесс может состояться только при наличии информационной системы, складывающейся из источника информа-ции, канала передачи, правила интерпретации полученного сообщения и полу-чателя информации.

В последнее время на роль метадисциплины, рассматривающей проблемы различных отраслей знаний (и естественнонаучных, и гуманитарных) с единых информационных позиций, претендует информациология. С точки зрения этой дисциплины, информатика − ее основная составная часть, представляющая “процесс взаимозависимости и взаимодополнения информации, человека, вы-числительной техники и средств связи” [4].

Следует отметить, что структура информатики как научной дисциплины складывалась постепенно. На протяжении более полувека в ней неоднократно возникали и исчезали те или иные направления. Возможность расширения об-ласти интересов информатики диктовалась, главным образом, развитием средств вычислительной техники (СВТ) и накоплением моделей и методов их применения при решении задач различного типа. В настоящее время в нее вхо-дят следующие основные области исследования [5]:

− теория алгоритмов (формальные модели алгоритмов, проблемы вычис-лимости, сложность вычислений и т.п.);

− логические модели (дедуктивные системы, сложность вывода, нетради-ционные исчисления: индуктивный и абдуктивный вывод, вывод по аналогии, правдоподобный вывод, немонотонные рассуждения и т.п.);

− базы данных (структуры данных, поиск ответов на запросы, логический вывод в базах данных, активные базы и т.п.);

− искусственный интеллект (представление знаний, вывод на знаниях, обучение, экспертные системы и т.п.);

− бионика (математические модели в биологии, модели поведения, гене-тические системы и алгоритмы и т.п.);

− распознавание образов и обработка зрительных сцен (статистические методы распознавания, использование призначных пространств, теория распо-знающих алгоритмов, трехмерные сцены и т.п.);

6

− теория роботов (автономные роботы, представление знаний о мире, де-централизованное управление, планирование целесообразного поведения и т.п.);

− инженерия математического обеспечения (языки программирования, технологии создания программных систем, инструментальные системы и т.п.);

− теория компьютеров и вычислительных сетей (архитектурные решения, многоагентные системы, новые принципы переработки информации и т.п.);

− компьютерная лингвистика (модели языка, анализ и синтез текстов, машинный перевод и т.п.);

− числовые и символьные вычисления (компьютерно-ориентированные методы вычислений, модели переработки информации в различных прикладных областях, работа с естественно-языковыми текстами и т.п.);

− системы человеко-машинного взаимодействия (модели дискурса, рас-пределение работ в смешанных системах, организация коллективных процедур, деятельность в телекоммуникационных системах и т.п.);

− нейроматематика и нейросистемы (теория формальных нейронных се-тей, использование нейронных сетей для обучения, нейрокомпьютеры и т.п.);

− использование компьютеров в замкнутых системах (модели реального времени, интеллектуальное управление, системы мониторинга и т.п.).

Отметим также, что термин “информатика” получил широкое распро-странение в России (информатика), Франции (informatique), Германии (infor-matik), Нидерландах (informatika), Испании (informatica), Италии (informatica), Польше (informatyka) и некоторых других европейских странах. В англоговоря-щих странах вместо термина “информатика” используется словосочетание “computer science”, что буквально переводится как “компьютерная наука”.

Что такое информация?

Термин “информация” происходит от латинского informatio, что означает

разъяснение, осведомление, изложение. Информация − это основное понятие информатики, до сих пор являющееся дискуссионным и неоднозначным в науке (хотя в обыденном представлении здесь, как будто, все ясно). Как пример мно-гозначного понимания информации приведем его трактовку, данную в Фило-софском энциклопедическом словаре: информация − это 1) сообщение, осве-домление о положении дел, сведения о чем-либо, передаваемые людьми; 2) уменьшаемая, снимаемая неопределенность (как результат получения сообще-ний); 3) сообщение, неразрывно связанное с управлением, сигналы в единстве синтаксических, семантических и прагматических характеристик; 4) передача, отражение разнообразия в любых объектах и процессах (неживой и живой при-роды). В двух из четырех приведенных трактовок понятие “информация” под-меняется понятием “сообщение”, при этом, по-видимому, считается, что по-следнее является интуитивно более понятным.

7

Одни авторы [6] предлагают “называть информацией всякий критерий выбора среди элементов некоторого множества, т.е. всякий критерий, позво-ляющий сократить множество, в котором разыскивается ответ на некоторый конкретный вопрос”.

Другие [7] вводят “сообщение и информацию как неопределяемые основ-ные понятия” и разъясняют их использование на ряде примеров; при этом они не считают соответствие между сообщением и информацией взаимно-однозначным, указывая на решающее значение для связи между сообщением и информацией некоторого правила интерпретации сообщения.

Третьи [8] считают, что “информация − это отличная от вещественно-энергетических факторов сторона отражения, воспринимаемая материальными системами со степенью организации, достаточно высокой для ее хранения, пе-реработки и дальнейшего использования в целях управления, и выражающаяся в упорядоченных сведениях о степени вероятности того или иного события из возможного разнообразия событий определенного вида”.

Наконец, четвертые [9] понимают информацию чрезвычайно широко как “любое воздействие на человека, которое приводит к изменению его состоя-ния”.

Мы будем использовать понятие “информация” в трактовке, близкой к той, что приведена в [10], а именно: информация − это 1) сведения, неизвест-ные до их получения; 2) значения, приписываемые данным; или 3) данные. Причем в основном акцент будем делать на последних двух толкованиях.

Информация обладает рядом свойств, основными среди которых являют-ся достоверность, полнота и актуальность (оперативность). С точки зрения эко-номики и управления для этих свойств можно предложить следующие толкова-ния:

1. Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. 2. Информация полна, если ее достаточно для понимания и принятия управленческих решений.

3. Информация актуальна (оперативна), если получение ее своевременно для принятия управленческих решений.

Способы представления информации в повседневной жизни,

науке и технике

Данный вопрос студентам рекомендуется проработать самостоятельно. В качестве учебного материала можно использовать бóльшую часть главы 1 “Ин-формация и сообщение” в [7], а также информацию из главы 1 в [11].

Этот же вопрос может быть использован как одна из тем для написания реферата по информатике. В качестве рассматриваемых научных и технических дисциплин можно взять, например, математику (формулы), ядерную физику и физику элементарных частиц (диаграммы Фейнмана), неорганическую и орга-ническую химию (уравнения химических реакций), информатику (языки описа-ния алгоритмов), вычислительную технику (кодировочные таблицы) и т.д.

8

Информационные процессы Информация − важнейший компонент (объект) любого информационного процесса. Под информационным процессом обычно понимается процесс сбора (восприятия), передачи, обработки (преобразования) и использования информа-ции. Как отмечалось выше, информационный процесс может состояться только при наличии информационной системы, обеспечивающей все его составляющие − источник информации, канал связи, соглашения (правила) интерпретации сигналов и приемник информации. Информация от источника к приемнику передается в материально-энергетической форме (например, в виде электрических, световых, звуковых и других сигналов). Информация может быть представлена аналоговыми (т.е. не-прерывными) или дискретными сигналами (лат. discretus − прерывистый, со-стоящий из отдельных частей).

Информация, переносимая сигналами, имеет смысл, отличный как от смысла самого факта поступления сигналов, так и от формы их передачи. Сле-довательно, источник и потребитель информации должны “договориться” о конкретной форме передачи информации, а также выработать некоторое согла-шение относительно расшифровки (интерпретации) полученных сигналов. В общем случае источник информации, восприняв некоторое явление (факт, изменение состояния и т.д.), шифрует (кодирует) его в виде последова-тельности сигналов с последующей пересылкой их в канал связи. Канал связи выступает как внешняя (по отношению как к источнику, так и приемнику) сре-да, отражающая состояния источника и воздействующая каким-либо образом на приемник.

При передаче сигналов по каналу связи на них воздействуют помехи (“шумы”), приводящие к изменению первоначальной формы и, возможно, смысла первоначального сигнала. Приемник (адресат, потребитель) информации при получении сигналов должен выполнить предварительную их обработку, цель которой заключается в исключении “шумов” и интерпретации (расшифровке), т.е. в извлечении смы-слового содержания, заключенного в сигналах. После этого он может использо-вать полученную информацию по своему усмотрению. Существование и развитие человеческого общества невозможно без осу-ществления информационных процессов. Определяющую роль в информацион-ной системе, обеспечивающей составляющие информационного процесса, иг-рает язык. Действительно, в какой бы форме и какими бы средствами не пере-давалась информация, она всегда передается с помощью некоторого языка. Применяя язык как способ представления информации, а также различные формы и средства передачи информации, человек рассчитывает на ее воспри-ятие, анализ и использование и, следовательно, активно участвует в информа-ционных процессах, происходящих в обществе.

9

Глава 1

Начальные сведения о компьютерах

Данная глава носит вводный характер. Сведения, изложенные в ней, тре-буются для более глубокого понимания вопросов, рассмотренных в следующих главах пособия. Студенты, знакомые с устройством компьютеров (например, по школьному курсу “Основы информатики и вычислительной техники”), могут прочесть ее достаточно бегло, всем остальным рекомендуется более тщательное чтение.

1.1 Краткий экскурс в компьютерное прошлое

Идея создания помощника в интеллектуальных занятиях владела людьми

давно. Еще на заре цивилизации для облегчения счета человек использовал пальцы рук1, горсть камешков, пучок счетных палочек и т.д. Более полутора тысяч лет назад появились счеты, которые, видоизменяясь, сохранились до на-ших дней. Счеты имели различную форму в разных странах, но наиболее удач-ными считаются так называемые “русские” счеты с десятью косточками на ка-ждом стержне. С арифметической точки зрения стержни счетов представляют собой разряды десятичной системы счисления: каждая косточка на первом стержне имеет достоинство (вес) 1, на втором – 10, на третьем – 100 и т.д. На счетах нетрудно складывать и вычитать числа. При желании и некотором упор-стве можно обучиться умножению и делению на счетах, но выполняются эти операции достаточно медленно и быстро утомляют.

Более поздняя история также знает примеры удачных разработок в облас-ти механизации вычислений. Так в 1642 году француз Блез Паскаль, еще не бу-дучи известным ученым, изобрел механическое устройство для сложения чисел (сумматор). Чуть позже – в 1673 году – немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, который позволял механически выпол-нять четыре арифметических действия2. Спустя полтора столетия английский математик Чарльз Бэббидж предпринял попытку создания аналитической ма-шины – устройства, способного выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была иметь в своем составе такие компоненты, как “мельница” и “склад” (согласно современной терминологии – арифметическое устройство и память), состоящие из множества шестеренок и рычажков. Ана-литическая машина должна была уметь работать по программе, которая нано-силась на перфокарты (карты из плотной бумаги) в виде различных комбинаций 1 Именно этим обстоятельством объясняется чрезвычайно широкое распространение деся-тичной системы счисления. Примечательно, что английское слово "digit" (цифра) проис-ходит от латинского "digitus" (палец).

2 Широчайшую известность принесло Лейбницу, однако, не создание арифмометра, а разра-ботка им (параллельно с Ньютоном) дифференциального и интегрального исчисления.

10

отверстий. Данные (числа) для обработки должны были храниться в памяти, пока их не начнет “перемалывать” арифметическое устройство. Полученные промежуточные результаты также должны были заноситься в память, чтобы спустя некоторое время их снова можно было использовать в вычислениях, а окончательные результаты вычислений должны были распечатываться. Идеи Бэббиджа так и не получили законченного практического воплощения, по-скольку намного опередили технические возможности своего времени.

С аналитической машиной Бэббиджа связано упоминание о первом про-граммисте. Им принято считать Аду Августу Лавлейс (дочь знаменитого анг-лийского поэта Байрона), которая, обладая недюжинными математическими способностями и широким кругозором, заинтересовалась проектом Бэббиджа и исследовала возможности использования аналитической машины для выполне-ния сложных вычислений. Иначе говоря, она проанализировала и разработала первые программы, доказав тем самым универсальные возможности вычисли-тельной машины. В честь заслуг этой удивительной женщины ее именем назван один из современных языков программирования3.

Лишь в середине XX века инженеры смогли реализовать основные идеи Бэббиджа. Вначале немец Конрад Цузе (1941 г.), а затем и американец Говард Эйкен (1943 г.) воплотили эти замыслы в жизнь, построив свои вычислительные устройства с использованием электромеханических реле. В машине Цузе, полу-чившей обозначение Z3, вместо привычной десятичной системы счисления ис-пользовалась двоичная система, в которой числа представляются в виде после-довательности нулей и единиц. Такое представление чисел прекрасно подходит для электрических цепей, которые могут находиться в одном из двух состояний: включено или выключено. Кроме того, двоичная система удобна и для кодиро-вания логических операций, имеющих дело с понятиями “истина” и “ложь”. А ведь именно возможность использования таких операций превращает компью-тер в нечто большее, чем просто большой калькулятор.

Вычислительная машина “Марк-1”, построенная группой инженеров из фирмы IBM (International Business Machines Corporation – произносится “Интер-нэшнл бизнес мэшинс корпорейшн”) под руководством Эйкена, так же, как и машина Цузе, управлялась программой, записанной на перфоленте. Весила она 5 тонн, стоила около 500 тысяч долларов, содержала более трех тысяч реле (всего же в ней было около 750 тысяч деталей) и предназначалась для балли-стических расчетов ВМС США. Машина производила сложение и умножение двух 23-значных десятичных чисел за 0,3 и 3 секунды соответственно (а за ка-кое время выполнит подобные операции обычный человек?). В следующей аме-риканской разработке – машина “Эниак” (1945 г.), создатели Джон Мочли и Преспер Экерт – использовались уже электронные лампы, а не элекромеханиче-ские реле, что позволило почти в 1000 раз повысить скорость вычислений по сравнению с машиной “Марк-1”. Именно “Эниак” принято считать первым 3 Ада – мощный язык программирования высокого уровня, разработанный по инициативе и при финансовой поддержке Министерства обороны США.

11

электронным “вычислителем” (computer переводится с английского как “вычис-литель”)4. После него основной обрабатывающий блок (центральный процес-сор) вычислительных машин строился уже из электронных элементов (ламп, транзисторов, интегральных схем), а не из механических или электромеханиче-ских компонентов (шестеренок, реле и т.п.).

“Эниак” превосходил “Марка” по размерам почти вдвое (высота – 6 мет-ров, длина – 26 метров) и весил около 30 тонн. Конструкция его содержала бо-лее 17 тысяч электронных ламп, которые, перегреваясь, выходили из строя, что приводило к частым поломкам компьютера. Процесс задания программы для “Эниака” был крайне неудобен и заключался в пристыковке нескольких сотен кабелей к 40 панелям компьютера, расположенным в виде подковы вдоль стен большой комнаты, и в установке в нужные положения около 6 тысяч тумблеров и переключателей. Это занимало обычно от нескольких часов до нескольких дней. Чтобы упростить процесс задания программы, Мочли и Экерт стали кон-струировать новую машину “Эдвак”, которая могла бы хранить программу в своей памяти. К работе над этим проектом был привлечен известный математик Джон фон Нейман, который в 1946 году подготовил (совместно с Г. Голстей-ном) и разослал многим ученым обстоятельный отчет с названием “Предвари-тельное обсуждение логического конструирования электронного вычислитель-ного устройства”. В отчете были сформулированы общие принципы построения и функционирования компьютеров (подробнее см. п. 1.2).

Проект “Эдвак” так и не был завершен в силу ряда обстоятельств (в част-ности, из-за разногласий, возникших между Джоном фон Нейманом и Мочли-Экертом по поводу авторских прав на идеи, представленные в отчете). Группа специалистов, работавших над созданием компьютера, распалась. Мочли и Экерт организовали собственную компанию с целью создания универсального компьютера для широкого коммерческого применения. Разработанный ими компьютер “Юнивак-1” (1951 г.) представлял собой электронное вычислитель-ное устройство с хранимыми в памяти программами, которые вводились туда уже не с перфокарт, а с магнитной ленты, что обеспечивало высокую скорость чтения и записи информации. Справедливости ради, отметим, что “Юнивак-1” все же не является первым компьютером с хранящейся в памяти программой. Англичанин Морис Уилкс, прослушав в США курс лекций об электронных компьютерах, вернулся к себе на родину и в 1949 году построил машину “Эд-сак”, в которой программа хранилась в памяти, образованной из линий задерж-ки (ртутных трубок).

В начале 50-х годов к разработке и выпуску компьютеров приступила фирма IBM, основанная в конце XIX века и специализировавшаяся первона-чально на производстве счетно-перфорационной техники (табуляторов). Очень

4 Это спорное мнение, поскольку теперь известно, что сотрудники университета штата Айо-ва Джон Атанасов и Джон Бэрри еще в 1936 году разработали и испытали специализиро-ванный компьютер, в конструкции которого были использованы электронно-вакуумные лампы.

12

быстро эта фирма, часто называемая в западных средствах массовой информа-ции “голубым гигантом”5, по существу монополизировала рынок вычислитель-ной техники. К середине 60-х годов компьютеры, выпущенные фирмой IBM, составляли около 80 % всего парка вычислительных машин США и Западной Европы6. В 1964 году фирма IBM выступила с новой “стратегической линией”, заявив о намерении создавать семейства совместимых компьютеров. В рамках одного семейства все компьютеры должны придерживаться общих архитектур-ных принципов и быть совместимыми по системе команд. В ходе выполнения новой стратегической программы были созданы два семейства компьютеров – Система-360 и Система-370, которые объединяли в своем составе несколько де-сятков моделей компьютеров, различающихся как по цене, так и по производи-тельности. Выпуск широкой номенклатуры компьютеров, работающих с одни-ми и теми же программными средствами, оказал существенное влияние на ин-форматизацию всего мирового сообщества.

История становления отечественной вычислительной техники связана с именем выдающегося ученого, академика С.А. Лебедева, многие годы возглав-лявшего Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР7 [12]. Под руководством С.А. Лебедева в 1951 году была создана первая отечественная электронно-вычислительная машина (ЭВМ), получившая назва-ние МЭСМ (малая электронная счетная машина). Память ее состояла всего лишь из 100 ячеек, а быстродействие равнялось только 50 операциям в секунду. Но именно этот “тихоход” позволил нашим ученым и инженерам “обкатать” многие новые идеи, а также приобрести необходимый опыт в создании подоб-ных устройств. И уже в 1952 году была запущена первая из машин серии БЭСМ (большая электронная счетная машина)8. Быстродействие первой БЭСМ составляло 2 тыс. операций в секунду. Вначале БЭСМ-1 работала на ртутных линиях задержки (как и английский “Эдсак”), а затем на ней была установлена память на ферритовых сердечниках и внешняя память на магнитных барабанах. Это позволило поднять быстродействие машины до 8 тыс. операций в секунду. Развитие серии БЭСМ завершилось созданием в 1966 году транзисторной моде-ли машины БЭСМ-6 с быстродействием 1 млн. операций в секунду. По техни-ческим характеристикам и архитектурным решениям эта машина не уступала лучшим зарубежным компьютерам того времени.

К сожалению, в последующие годы у нас стала преобладать политика ко-пирования зарубежных образцов ВТ, что в значительной степени способствова-ло остановке в развитии и все возрастающему отставанию в компьютерной об- 5 Прозвище "Big Blue" (Биг Блю) фирма IBM заслужила, вероятно, потому, что ее много-численные менеджеры традиционно одевались в светло-синие костюмы.

6 Доля компьютеров, производимых IBM сегодня, гораздо меньше. Тем не менее, корпора-ция IBM по-прежнему остается крупнейшей компьютерной фирмой мира.

7 В настоящее время данный институт входит в состав Российской академии наук (РАН) и носит имя Сергея Алексеевича Лебедева.

8 С 1953 года начался также серийный выпуск ЭВМ "Стрела", разработанной коллективом ученых и инженеров под руководством Б.Я. Базилевского.

13

ласти от США, Японии и стран Западной Европы. Кроме того, началось сказы-ваться несовершенство отечественных технологических разработок и линий по производству микроэлектронных компонентов (элементной базы), что не позво-ляло на равных конкурировать с ведущими зарубежными фирмами.

Тем не менее, у нас есть несомненные достижения в использовании вы-числительной техники. Уже первые полеты в космос (так же, как и все после-дующие) сопровождались оперативными расчетами траекторий, обработкой те-леметрических измерений, прогнозированием и решением других задач, кото-рые выполнялись на ЭВМ различных типов. Для отечественных ЭВМ были раз-работаны программы, решающие ряд нетрадиционных задач (игра в шахматы, сочинение музыки и т.д.).

Помимо упомянутых выше машин серии БЭСМ, в 1960-70 гг. в бывшем СССР были созданы и серийно выпускались большие ЭВМ типа “Урал” (созда-на под руководством Б.И. Рамеева, г. Пенза) и “Минск” (В.В. Пржиелковский, г. Минск), а также мини-ЭВМ серии “Наири” (Г.Е. Овсепян, г. Ереван) и “Мир” (В.М. Глушков, г. Киев) [13]. Из отечественных разработок более позднего пе-риода отметим высокопроизводительный многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) “Эльбрус” (В.С. Бурцев, г. Москва), в основе которого перво-начально лежал центральный процессор БЭСМ-6.

Излагая историю развития отечественной ВТ, невозможно обойти внима-нием ее “ЕС-овскую” и “СМ-овскую” ветви. В 1969 году между странами СЭВ9 было заключено межправительственное соглашение по сотрудничеству в облас-ти вычислительной техники. В результате - в течение следующих полутора де-сятилетий Болгария, Венгрия, Восточная Германия, Польша, Румыния и Чехо-словакия во главе с СССР “шли в ногу” с самой могущественной компьютерной фирмой мира - корпорацией IBM, выпуская вычислительные машины серии ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ) первой и второй очереди, архитектурно и про-граммно-совместимые с IBM/360 и IBM/370 соответственно. Семейство ЕС ЭВМ включает в себя ряд моделей с быстродействием от 5 тысяч до 5 миллио-нов команд в секунду. Все модели ЕС ЭВМ объединены общими принципами работы, однообразием процедур управления, однотипным способом организа-ции связей между отдельными модулями системы. Программное обеспечение в сочетании с аппаратными средствами позволяло (и позволяет до сих пор) вы-полнять эффективную работу ЕС ЭВМ, обеспечивая решение большого числа научно-технических, экономических, управленческих и других задач.

Между перечисленными выше странами было заключено также соглаше-ние о совместной работе в рамках программы по созданию семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ). В ходе реализации этой программы были разработаны две очереди СМ ЭВМ, которые включали в себя компьютеры различных классов. Среди них наибольшую известность в 1970-80 гг. получили четыре класса ми-ни-ЭВМ первой очереди: СМ-1, СМ-2, СМ-3 и СМ-4. Вторая очередь СМ ЭВМ 9 Совет экономической взаимопомощи - социалистический вариант ЕЭС ("Общего рынка"), объединявший в свое время почти все страны бывшего социалистического лагеря.

14

состоит из пяти классов моделей ЭВМ, существенно различающихся как по це-не, так и по производительности (от микроЭВМ малой производительности до супермини-ЭВМ и спецпроцессоров). Технические и программные средства СМ ЭВМ широко использовались (и используются до сих пор) для решения задач управления производством и технологическими процессами (АСУ и АСУ ТП), автоматизации научных экспериментов и других.

В настоящее время отечественная электронная промышленность пережи-вает глубокий кризис, что наглядно отражается на объеме и качестве выпол-няемых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) в области проектирования современных средств ВТ общего назначения. Лишь немногие творческие коллективы продолжают перспективные разработки. Сре-ди них следует особо отметить проект “Эльбрус E2K”, выполняемый группой специалистов под руководством члена-корреспондента РАН Б.А. Бабаяна и на-правленный на разработку отечественного микропроцессора, сопоставимого по производительности с современными 64-разрядными микропроцессорами. Кроме того, в последние годы под руководством академика В.А. Мельникова была разработана векторная супер-ЭВМ “Электроника СС-100”, архитектурно повторяющая известный CRAY-1, а в НИЦЭВТ ведутся работы по созданию супер-ЭВМ “Амур” [14].

И перед тем, как закончить наш исторический экскурс, несколько слов о вкладе Воронежа в развитие отечественной ВТ. В конце 1970-х годов в нашей стране начались работы по разработке и серийному выпуску относительно не-дорогих и достаточно надежных микроЭВМ, архитектурно и программно-совместимых с микрокомпьютерами семейства PDP-11 (произносится “Пи-Ди-Пи”) известной американской фирмы Digital Equipment Corporation (произносит-ся “Диджитал Эквипмент Корпорейшн”). Одним из центров такой работы стал г. Воронеж. В рамках НПО “Электроника” были созданы два новых структур-ных подразделения - Особое конструкторское бюро и завод “Процессор”, на которые и была возложена задача по созданию и серийному выпуску микро-ЭВМ.

Одновременно с возведением производственных корпусов начались НИОКР в обеспечение решения задачи по созданию микроЭВМ. В короткие сроки необходимо было разработать элементную базу для будущей микроЭВМ, подготовить конструкторскую и программную документацию, решить вопросы, связанные с оснащением микроЭВМ периферийными (внешними) устройства-ми. В результате приложенных усилий в 1978 году был начат серийный выпуск микроЭВМ “Электроника-60” (15ВМ-16). В последующие несколько лет был разработан ряд модификаций этой микроЭВМ. В 1980-90 гг. заводом “Процес-сор” выпускались различные ЭВМ, среди которых наибольшую известность по-лучили следующие: 16-разрядные микроЭВМ “Электроника-60М” и ПЭВМ “Электроника МС0585”, 32-разрядные мини-ЭВМ “Электроника-82” и микро-ЭВМ “Электроника МС0107”.

С кратким историческим очерком, посвященном раннему становлению информатики как науки, можно познакомиться в Приложении E “К истории

15

информатики” части 2 в [7]. Увлекательное и хорошо иллюстрированное пове-ствование об истории информатики содержится также в [15, 16]. Краткая хро-нология ключевых событий компьютерной индустрии представлена в [17]. Вир-туальный музей истории отечественной ВТ можно посетить, воспользовавшись возможностью доступа в Internet [18].

1.2 Принципы Джона фон Неймана

Принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом и лежащие в ос-

нове большинства современных компьютеров (имеющих так называемую “тра-диционную” архитектуру), можно представить следующим образом:

1. Принцип программного управления. Компьютер управляется про-граммой, состоящей из команд, каждая из которых осуществляет единичный акт преобразования информации.

После ввода программы и данных в память компьютер работает автома-тически, выполняя команды без вмешательства человека. Для этого компьютер всегда “помнит” адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит (яв-ное или неявное) указание об адресе команды, которую следует выполнять за нею.

2. Принцип условного перехода. Программа может содержать команды условного перехода, обуславливающие возможность перехода на тот или иной участок программы в процессе вычислений в зависимости от полученных про-межуточных результатов. Это позволяет легко организовывать в программе циклы и осуществлять автоматический выход из них.

3. Принцип хранимой программы. Команды программы представляют-ся числовыми кодами и хранятся в памяти компьютера точно так же, как исход-ные данные (а не коммутируется проводами как в “Эниаке”).

Поскольку вся программа или ее часть хранится в оперативной памяти, то над ее командами можно выполнять различные операции. В частности, в ко-манде, как правило, указываются не сами данные, над которыми нужно выпол-нять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где эти данные хранятся. Это обуславливает возможность вычисления и преобразования адресов ячеек, благодаря чему компьютер может (по заданной программе) подготавливать ко-манды, которые сам же и выполняет. Другими словами, программа в общем случае обладает свойствами динамичности и самомодификации.

4. Принцип использования двоичной системы счисления. Информация (программы и данные) в компьютере представляется и обрабатывается в двоич-ном виде. Подробнее о двоичной системе счисления см. в главе 2.

5. Принцип иерархичности запоминающих устройств. Все запоминаю-щие устройства компьютера имеют иерархическую организацию, представлен-ную регистрами, оперативной памятью, магнитными барабанами (в настоящее время не используются, им на смену пришли магнитные диски), магнитными лентами (более подробно о перечисленных устройствах см. ниже в п. 1.3). Сле-

16

дует отметить, что запоминающие устройства перечислены в порядке уменьше-ния скорости доступа к хранящимся в них данным и возрастания объемов хра-нения.

И завершая рассмотрение теоретических предпосылок появления про-граммно-управляемого компьютера, отметим вклад в эту область английского математика Алана Тьюринга, которого заслуженно считают - наряду с Джоном фон Нейманом - “идейным отцом” компьютера. В 1936 году А. Тьюринг, еще будучи студентом Кембриджского университета, опубликовал статью “О вы-числимых числах”, в которой описал гипотетическое (существующее только в воображении) устройство, впоследствии названное “машиной Тьюринга”. Ма-шина Тьюринга состояла из бесконечной бумажной ленты, поделенной на клет-ки, и головки, которая, продвигаясь вдоль ленты, могла считывать и обрабаты-вать символы, записанные в клетках ленты. На каждом шаге вычислений сле-дующее действие машины полностью определялось ее текущим состоянием и символом, который в данный момент считывается головкой. Таким образом, в гипотетической машине Тьюринга были предвосхищены некоторые черты со-временных компьютеров (например, бесконечную ленту с клетками можно рас-сматривать как своеобразную память, символы на этой ленте - как программу, а обрабатывающую головку - как прообраз центрального процессора).

1.3 Общая организация и принципы работы компьютера

Любой компьютер, построенный в соответствии с принципами Джона

фон Неймана, содержит в своем составе следующие устройства (блоки): − арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняет арифме-

тические и логические операции, задаваемые в программе; − устройство управления (УУ), которое организует (координирует) вы-

полнение операций, задаваемых в программе; − оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)10, состоящее из некото-

рого количества ячеек и предназначенное для временного хранения программ и данных;

− внешние, или периферийные, устройства, предназначенные для ввода-вывода информации (программ, исходных данных и результатов).

В современных компьютерах АЛУ и УУ, как правило, объединяются в одно устройство - центральный процессор (ЦП). В больших компьютерах, ис-пользующихся преимущественно для сложных научно-технических расчетов, моделирования глобальных процессов (например, составление долгосрочного прогноза погоды) и обработки громадных объемов экономической информации, к ЦП относят также оперативную память. В мини- и микрокомпьютерах опера-тивная память, как правило, представлена отдельным блоком, а роль внутрен-ней памяти ЦП выполняют регистры общего назначения (см. ниже).

10 ОЗУ часто называют оперативной, основной или внутренней памятью компьютера.

17

Общая организация компьютера, т.е. его основные устройства и связи между ними, показаны на укрупненной структурной схеме, приведенной на рис. 1.1 (стрелки с тонкими линиями отражают управляющие связи, с жирными ли-ниями - информационные).

УУ

АЛУ

Устройстваввода-вывода ОЗУ

Рис. 1.1 Структурная схема компьютера по фон Нейману

Главным недостатком этой схемы является то, что обмен информацией

между устройствами ввода-вывода и оперативной памятью ведется через АЛУ, т.е. во время выполнения операций ввода-вывода вычисления прекращаются. Для преодоления этого недостатка было осуществлено совмещение по времени операций ввода-вывода и вычислений путем организации непосредственного обмена информацией между устройствами ввода-вывода и памятью, как пока-зано на рис. 1.2.

УУ

АЛУ

Устройстваввода-вывода ОЗУ

Рис. 1.2 Структурная схема компьютера с организацией непосредственного

обмена информацией между устройствами ввода-вывода и памятью

18

Компьютеры, построенные в соответствии со второй схемой, также имеют

существенный недостаток: устройство управления обязано осуществлять тща-тельный контроль и управление операциями ввода-вывода, что, конечно же, снижает скорость вычислений. Для преодоления этого недостатка был сделан следующий и решающий шаг − в состав компьютера был включен канал ввода-вывода, представляющий, по сути, специализированный компьютер (рис. 1.3).

УУ

АЛУ

Канал ввода-вывода ОЗУУстройства

ввода-вывода

Рис. 1.3 Структурная схема компьютера с каналом ввода-вывода

Канал осуществляет автономное управление операциями ввода-вывода,

обеспечивая независимый доступ устройств ввода-вывода к памяти, т.е. работа-ет параллельно с АЛУ. Устройство управления сохраняет только общие функ-ции координации процесса ввода-ввода, связанные с началом и окончанием ввода-вывода и реакцией на нестандартные (исключительные) ситуации.

Примечание. Приведенные выше структурные схемы компьютера бази-руются на так называемой традиционной (или фон-неймановской) архитектуре, которой присущи серьезные недостатки и ограничения. Почти сразу после оз-накомления с ней научной общественности появились предложения по ее улучшению и радикальному изменению. Часть этих предложений была практи-чески реализована в виде различных вычислительных систем, показавших вы-сокую производительность именно за счет отказа от традиционных архитектур-ных решений [19, 20]. Подобные вычислительные структуры здесь не рассмат-риваются, поскольку эти вопросы выходят за рамки данного пособия.

Любой вычислительный процесс, выполняемый компьютером, можно разбить на три последовательных этапа: ввод информации в память компьюте-ра, обработка и/или хранение введенной информации и вывод результатов об-работки. Это схематично показано на рис. 1.4. В выполнение этой работы во-влекаются различные компоненты компьютера: устройства ввода (например, клавиатура, магнитный диск и другие), оперативная память, хранящая введен-ные данные и программу обработки этих данных, центральный процессор, вы-

19

полняющий арифметические и логические операции, предписываемые про-граммой, и устройства вывода (например, дисплей, принтер и другие). Работа этих устройств более подробно рассмотрена ниже.

Обработка

и/илихранение

информации

ВыводВвод

Рис. 1.4 Общая схема вычислительного процесса

1.3.1 Центральный процессор

ЦП является основным компонентом аппаратуры компьютера, координи-

рующим движение потоков информации внутри компьютера и выполняющим вычисления по некоторой программе. ЦП “понимает” определенную систему команд (кодов), задающих ему выполнение вполне определенных операций (например, сложить два числа, проверить число на равенство нулю, переслать данные из одной ячейки памяти в другую и т.д.). Любая программа представля-ется в виде последовательности таких команд. Работая по заданной программе, ЦП в каждый момент времени выполняет одну из ее команд, причем делает это с высокой скоростью11.

Существуют четыре основных типа команд: арифметические и логиче-ские команды, команды управления, команды внутренней пересылки данных и команды ввода-вывода. Арифметические и логические команды служат для вы-полнения четырех арифметических действий (сложение, вычитание, умножение и деление) и ряда логических операций (конъюнкция или “логическое И”, дизъ-юнкция или “логическое ИЛИ”, инверсия или “логическое НЕ”).

Команды управления позволяют определять порядок выполнения команд других типов. Они обеспечивают переход из одной точки программы в другую, обход некоторой последовательности команд (по результатам выполнения пре-дыдущих операций) и т.д.

Команды внутренней пересылки данных дают возможность копировать данные из одного места памяти в другое и, кроме того, они позволяют выпол-нять сдвиговые операции над битами одного байта или слова (понятия “бит”, “байт” и “слово” объясняются ниже; см. п. 1.3.2).

Команды ввода указывают устройству управления на необходимость пе-редать информацию от некоторого внешнего устройства в память компьютера для хранения и возможной обработки. Команды вывода выполняют передачу 11 Как правило, в современных компьютерах выполнение одной команды ЦП совмещено по времени с подготовкой к выполнению (выборкой из памяти и дешифрацией) следующей команды программы, т.е. используется хорошо известный принцип "конвейера". Напри-мер, в микропроцессоре 80386 фирмы Intel реализована конвейерная (магистральная) об-работка команд на 6 уровнях, что позволяет повысить быстродействие вычислительных систем, использующих этот микропроцессор.

20

информации в обратном направлении. Кроме того, команды ввода-вывода мож-но использовать для получения информации о состоянии устройства и передачи ему управляющих воздействий.

Для выполнения своей работы ЦП использует ряд внутренних ячеек сверхбыстрой (или сверхоперативной) памяти − регистров ЦП. Доступ к реги-страм ЦП осуществляется в 5…10 раз быстрее, чем к ячейкам оперативной па-мяти. Поэтому регистры часто используют как для хранения информации, тре-бующейся ЦП для работы, так и для записи промежуточных результатов опера-ций. Два регистра представляют особый интерес. Один из них, называемый ре-гистром команд (IR - Instruction Register), содержит текущую команду, т.е. ко-манду программы, выполняемую ЦП в текущий момент. Другой, называемый счетчиком команд или программным счетчиком (PC - Program Counter), со-держит в это время адрес команды, которая будет выполняться следующей. Выборка команды из памяти и ее выполнение часто описывается с помощью так называемого цикла управления фон Неймана, графическое представление которого показано на рис. 1.5.

4

3

2

1

Рис. 1.5 Цикл управления фон Неймана На фазе выборки команды (1) содержимое ячейки, адресуемой счетчиком

команд, выбирается из памяти и помещается в регистр команд. На фазе дешиф-рации (говорят также - декодирования) выбранной команды (2) определяется код операции, задаваемый в команде, и местоположение операндов, которые должны быть использованы в операции. После этого содержимое счетчика ко-манд увеличивается на единицу (3). Если команда содержится в нескольких ячейках, то процесс (1-2-3) повторяется. Если же команда использует только одну ячейку, то она сразу выполняется (4). После этого описанный выше про-цесс повторяется.

Помимо IR и PC в ЦП имеются также несколько регистров общего назна-чения (РОН), которые используются как накапливающие регистры (аккумуля-торы), указатели данных, индексные регистры и т.д. Во время своей работы УУ активно использует специальный регистр, называемый регистром состояния

21

(или регистром признаков) программы (PSW − Program Status Word). Значения нескольких разрядов этого регистра зависят от результата последней операции, выполненной АЛУ. Существуют различные признаки (флажки), которые могут варьироваться от одного типа компьютера к другому, но среди них, как прави-ло, имеются следующие:

− признак переполнения (V), который устанавливается в 1, если в резуль-тате последней выполненной операции было получено число, превышающее максимально возможное для данного компьютера;

− признак переноса, или заёма (C), который устанавливается в 1, если операция привела к переносу двоичной единицы в знаковый разряд или заёму единицы из знакового разряда;

− признак нулевого результата (Z), который устанавливается в 1, если в ходе последней операции был получен нулевой результат;

− признак отрицательного результата (N), который устанавливается в 1, если в ходе последней операции был получен отрицательный результат.

Примечание. Для облегчения ссылок в тексте на признаки регистра со-стояния для них используются, как правило, следующие символические сокра-щения: V − oVerflow (переполнение), C − Carry (перенос), Z − Zero (нуль), N − Negative (отрицательный).

Необходимо отметить важность использования регистра состояния для программирования компьютеров, поскольку каждая более или менее сложная программа, как правило, основывает свои дальнейшие действия на результате, полученном в ходе выполнения предшествующей операции.

1.3.2 Оперативная память

Оперативная память компьютера состоит из множества ячеек, в которых может храниться информация, закодированная с помощью нулей и единиц. Для того чтобы компьютер мог обращаться к этой информации, каждая ячейка па-мяти ассоциируется с определенным числом - адресом ячейки. Адресацию яче-ек памяти принято начинать с нуля, т.е. в ОЗУ, состоящем из N ячеек, первая ячейка имеет адрес 0, а последняя - N-1 (см. рис. 1.6). При записи информации в память по определенному адресу старая информация, находящаяся по этому адресу, пропадает. При считывании информации из памяти в ЦП пересылается копия значения, находящегося по указанному адресу, при этом исходное значе-ние не меняется.

Минимальной порцией информации в компьютере является один бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Термин “бит” (bit) произошел от английских слов “binary digit”, переводимых как “двоичная цифра”.

22

• • •

2

1

0

N-1

N-2

Возрастание

адресов

Рис. 1.6 Адресация ячеек ОЗУ

Большинство команд компьютера ориентировано на работу с более круп-ными порциями информации, чем бит. В качестве таких единиц информации (и памяти соответственно) принимаются: байт − 8 последовательных бит, слово − 16 бит, или 2 смежных байта, двойное (длинное) слово − 32 бита, или 4 смеж-ных байта и т.д. Графическое представление для бита, байта, слова и двойного слова показано на рис. 1.7.

Байт

Двойное слово

Слово

Бит

Рис. 1.7 Единицы памяти и информации

Более крупные порции информации (и блоки памяти соответственно) из-меряются, как правило, не в байтах, а в килобайтах (1 Кбайт равняется 1024 или 210 байтам), мегабайтах (1 Мбайт равняется 1024 Кбайтам или 220 байтам), гига-байтах (1 Гбайт равняется 1024 Мбайтам или 230 байтам), терабайтах (1 Тбайт равняется 1024 Гбайтам или 240 байтам) и т.д.

Оперативную память иногда называют памятью с произвольной выборкой (RAM − Random Access Memory), подчеркивая этим тот факт, что доступ к лю-бой ячейке памяти выполняется одинаково легко (по ее адресу) и за одинаковое время. Кроме того, работая с оперативной памятью нужно иметь в виду, что ее содержимое существует лишь в течение времени, пока компьютер находится во

23

включенном состоянии. При отключении напряжения питания содержимое яче-ек ОЗУ теряется (стирается).

В компьютерах 1950-70 гг. оперативная память строилась на магнитных сердечниках. Каждый бит информации, записанный в подобную память, хра-нится в небольшом тороидальном постоянном магните. Этот магнит может быть намагничен в одном из двух направлений. Направление намагниченности задается направлением тока, который протекает по пронизывающим память проводникам. В настоящее время такой способ построения оперативной памяти не применяется в силу присущих ему недостатков: громоздкость устройств па-мяти, большое энергопотребление и значительное рассеяние тепла.

Современные компьютеры используют оперативную память полупровод-никового типа. Для ее реализации, как правило, применяется либо биполярная технология, либо МОП-технология12. Память на биполярных транзисторах об-ладает бóльшим быстродействием, чем память на МОП-транзисторах. Однако, по сравнению с памятью на МОП-транзисторах, она потребляет значительную мощность, допускает размещение меньшего числа бит при одинаковом размере кристалла, существенно сложнее в изготовлении и, соответственно, дороже. В силу этих причин наибольшее распространение получила оперативная память на МОП-транзисторах.

Существуют два способа построения интегральных микросхем памяти по МОП-технологии, в соответствии с которыми память на МОП-структурах мо-жет быть либо статической, либо динамической. Статическая память проще с точки зрения организации и управления доступом. Как правило, при построе-нии ОЗУ небольшого объема используют микросхемы статической памяти. Микросхемы динамической памяти относительно дешевы, однако организация памяти такого типа требует привлечения множества дополнительных микро-схем. Кроме того, содержимое динамической памяти необходимо периодически регенерировать (перезаписывать). Микросхемы динамической памяти исполь-зуются в основном при построении ОЗУ большого объема.

1.3.3 Устройства ввода-вывода

Устройства ввода-вывода (накопители на жестких магнитных дисках − НЖМД или НМД, накопители на гибких магнитных дисках − НГМД, накопите-ли на магнитных лентах − НМЛ, алфавитно-цифровые печатающие устройства − АЦПУ, терминалы и другие), подключаемые к компьютеру, и без которых он не в состоянии полноценно реализовывать свои вычислительные возможности, часто называют внешними (периферийными) устройствами. Термин “внешние устройства” возник в то время, когда все устройства компьютера (включая и центральный процессор с оперативной памятью) представляли собой “много-уважаемые шкафы”, связанные друг с другом каналами связи. В настоящее

12 МОП − аббревиатура, образованная от слов "металл-окисел-полупроводник".

24

время этот термин относится, прежде всего, к области больших ЭВМ. Что ка-сается мини- и микрокомпьютеров, то часто их “внешние” устройства оказыва-ются заключенными в один корпус с основным устройством − центральным процессором, т.е. называть их “внешними” можно лишь с некоторой долей ус-ловности.

Перечисленные выше устройства предназначены для выполнения опера-ций ввода-вывода. И если АЦПУ (или принтер) выступает в роли только уст-ройства вывода, то НМД, НГМД и НМЛ могут служить как устройствами ввода, так и устройствами вывода. Другими словами, информацию с них можно счи-тать в оперативную память компьютера, если, конечно, предварительно эта ин-формация была записана на магнитный диск или ленту. Чтобы подчеркнуть функциональное назначение НМД, НГМД и НМЛ, которое заключается в дол-говременном хранении записанной информации, эти устройства называют внешними запоминающими устройствами (ВЗУ) или внешней памятью13. Со-временный компьютер невозможно представить без ВЗУ, поскольку объем са-мого необходимого программного обеспечения, включающего операционную систему, редактор текстов, трансляторы с наиболее распространенных языков программирования, составляет сотни килобайт. Терминал также используется как устройство ввода-вывода: ввод осуществляется с клавиатуры, а вывод − на экран монитора (дисплея) или телетайп. Терминалы используются для того, чтобы обеспечить взаимодействие человека с компьютером (точнее, с програм-мами, которые выполняет компьютер).

Управление процессом ввода-вывода в компьютере может осуществлять-ся тремя различными способами: по опросу состояния устройства ввода-вывода, по прерыванию и с использованием механизма прямого доступа к памяти (ПДП). В первом случае ЦП проверяет (опрашивает) регистры состояния уст-ройств ввода-вывода, с целью определения, готово ли то или иное устройство к вводу или выводу информации. О готовности устройств ввода-вывода инфор-мируют одноразрядные флажки (биты готовности) регистров состояния. Способ опроса достаточно прост, но требует больших затрат времени ЦП, поскольку приходится каждый раз − через малые интервалы времени − прерывать выпол-нение основной программы, чтобы опросить регистры состояния всех устройств ввода-вывода − на тот случай, если потребуется отреагировать на определенное состояние какого-либо из устройств.

Способ ввода-вывода по прерыванию требует более сложных аппаратных и программных средств, но обеспечивает более эффективную работу ЦП. При использовании этого способа ЦП сосредоточен на выполнении своей основной функции − обработке данных. Когда внешнее устройство готово к вводу или выводу, оно посылает соответствующий сигнал (сигнал прерывания) ЦП, кото-рый ненадолго прерывает процесс обработки данных, чтобы обслужить устрой-ство, запросившее прерывание. Чтобы избежать путаницы при одновременном 13 ВЗУ иногда называют вспомогательной или вторичной памятью, имея в виду, что ОЗУ − это главная, или основная память (main memory).

25

поступлении нескольких запросов на прерывание, для различных устройств ус-танавливаются различные уровни приоритета. Пользователь имеет возможность “замаскировать” (т.е. игнорировать) прерывания, за исключением одного − вы-званного внезапным отключением питания. Это немаскируемое прерывание со-общает ЦП, что у него есть в запасе несколько микросекунд на запоминание данных, пока не отключится вся система.

Третий способ управления вводом-выводом описан ниже в п. 3.1 (см. ин-формацию о контрóллере ПДП).

1.4 Программное обеспечение компьютера

Современные компьютеры могут воспринимать и запоминать информа-цию, выполнять сложные вычисления, принимать определенные решения, ос-новываясь на результатах этих вычислений, и, наконец, получив окончательное решение, передавать его результаты в окружающий мир. Однако, все эти “ин-теллектуальные” способности компьютера обусловлены тем, что он всего лишь предельно точно следует инструкциям (командам), разработанным для него че-ловеком. Человек, предвидя каждый шаг компьютера и зная его ограниченные возможности (компьютер может выполнять сравнительно небольшое количест-во элементарных операций), создает для него программу, которая часто содер-жит длинную последовательность элементарных команд и которая заставляет компьютер выполнять полезную работу. Если провести аналогию между авто-мобилем и компьютером, то “горючим” (как впрочем и “шофером”) для по-следнего является именно программа, которая заставляет компьютер не только “двигаться”, но задает ему также нужное “направление”. (А может “горючее” − это все же электрический ток, питающий электронные схемы компьютера?)

Компьютеры понимают лишь язык двоичных цифр, который мало приго-ден для использования человеком. Поэтому программы составляются (говорят также кодируются или пишутся) на языках программирования низкого (ассемб-лер) или высокого уровня (например, Паскаль или Фортран). Затем программа, называемая транслятором (в случае языка высокого уровня − компилятором), переводит человекодоступный (символьный) код программы в код, исполь-зующий язык двоичных цифр, хорошо понимаемый компьютером. Как правило, распространенные компьютеры имеют несколько таких программ-переводчиков с различных языков программирования.

В некоторых языках программирования (например, в Бейсике) предпоч-тение отдается интерпретирующей схеме, когда программа, называемая интер-претатором, поочередно считывает операторы программы, распознает их смысл и выполняет предписываемые операторами действия.

В других языках (и таких большинство, например, Паскаль, Фортран, Си и т.д.) программа сначала транслируется в машинный код, который затем может многократно выполняться компьютером. Каждая из рассмотренных схем обра-ботки программ имеет свои преимущества и свои недостатки, здесь мы лишь

26

отметим, что транслирующая схема все же используется чаще и все так назы-ваемые профессиональные языки программирования реализованы в виде транс-ляторов, а не интерпретаторов.

Работая на компьютере, все пользователи выполняют более или менее однотипную работу, связанную с вводом информации в компьютер, созданием файлов, содержащих введенную информацию, обработкой этих файлов с помо-щью одной из имеющихся программ, выводом результатов этой обработки на экран дисплея или печатающее устройство. В выполнение перечисленных выше действий вовлекаются различные устройства компьютера (клавиатура и экран дисплея, магнитные диски и ленты, оперативная память, центральный процес-сор и другие). Непосредственное управление этими устройствами является за-нятием кропотливым и утомительным и, главное, далеким от той задачи, кото-рую решает пользователь. Поэтому в качестве посредника между любым уст-ройством ввода-вывода, подключенным к компьютеру, и программой пользова-теля выступают специально разработанные системные программы, называемые драйверами14.

Вообще, системные программы, установленные на компьютере, не огра-ничиваются только драйверами устройств ввода-вывода. Как правило, есть го-ловная управляющая программа, в простейшем случае называемая монитором (не путать с дисплеем!), которая принимает запросы программы пользователя на выполнение тех или иных операций ввода-вывода, формирует список пара-метров для передачи его драйверу, а лишь затем передает управление соответ-ствующему драйверу. Более сложные варианты управляющих системных про-грамм получили название операционных систем (ОС).

Помимо системных программ (модулей операционной системы, трансля-торов, текстовых редакторов и т.д.) компьютер может оснащаться проблемно-ориентированными пакетами прикладных программ (ППП), предназначенными для решения задач из какой-либо предметной области (например, статистиче-ского анализа, бухгалтерского учета, логического моделирования интегральных схем и других).

Если необходимая прикладная программа отсутствует, то пользователь может либо прибегнуть к услугам профессиональных программистов, либо по-пробовать разработать ее своими силами (в этом случае ему, по всей видимости, придется освоить один из языков программирования высокого уровня, реализо-ванных на компьютере).

Разработка более или менее серьезной программы представляет собой не-тривиальную задачу, решение которой складывается из следующих этапов:

− формализация поставленной задачи (выработка математической поста-новки);

14 Транслитерация английского слова driver, которое буквально переводится как "шофер", т.е. человек, управляющий автомобилем.

27

− разработка алгоритма решения задачи (могут использоваться сущест-вующие наглядные способы для записи алгоритмов: блок-схемы, таблицы ре-шений и т.д.);

− написание программы на одном из имеющихся языков программирова-ния;

− ввод исходного текста программы в компьютер (например, с помощью текстового редактора) и трансляция его в машинные коды с помощью компиля-тора;

− отладка программы и ее тестирование (на ряде хорошо подобранных тестовых примеров);

− разработка программной документации (например, руководства поль-зователя, подробно описывающего правила эксплуатации программы).

Как и всякий сложный вид человеческой деятельности, разработка про-граммы носит итеративный характер. Другими словами, ошибка, допущенная, на одной из ранних стадий и обнаруженная на поздней стадии, приводит к не-обходимости возврата назад для ее устранения. Затем процесс разработки по-вторяется. Например, логическая ошибка, допущенная на стадии разработки ал-горитма решения задачи, обнаружена лишь на стадии тестирования программы. В этом случае разработчику программы ничего более не остается, как снова вернуться к разработке алгоритма, затем модифицировать исходный текст про-граммы в соответствии с изменениями, сделанными в алгоритме, и оттрансли-ровать его в машинные коды компьютера. После этого снова выполняется этап отладки и тестирования.

В заключение отметим, что программирование − чрезвычайно интерес-ный вид интеллектуальной деятельности человека, требующий хорошей мате-матической подготовки, умения мыслить логически (и подчас нетривиально), а также таких высоко ценимых человеческих качеств, как упорство и целеустрем-ленность.

Вопросы для самопроверки

1. Когда был разработан первый компьютер? Кто был его создателем? 2. В чем заключается принцип хранимой программы и принцип программного управления, сформулированные фон Нейманом?

3. Перечислить основные блоки, входящие в состав компьютера с “традицион-ной” архитектурой. Каково их назначение?

4. Каков основной недостаток компьютера с “традиционной” архитектурой? Каким образом он был преодолен?

5. Объяснить принцип работы центрального процессора компьютера с традици-онной архитектурой (использовать для этого графическое представление “цикла управления фон Неймана”, показанное на рис. 1.5).

6. Назвать известные вам внешние устройства компьютера. Какие из них явля-ются устройствами ввода, а какие − устройствами вывода информации?

28

7. В чем заключается основная роль программного обеспечения, которым ос-нащаются компьютеры? Какие классы программ составляют программное обеспечение компьютера?

Глава 2

Двоичная арифметика и представление информации в компьютере

Как отмечалось выше, информация хранится и обрабатывается в компью-

тере в двоичном виде. Это связано с тем, что компьютеры построены на элек-тронных элементах с двумя устойчивыми состояниями. Ниже рассмотрены дво-ичная система счисления, получившая наибольшее распространение в вычисли-тельной технике, восьмеричная и шестнадцатеричная системы − как удобный альтернативный способ для компактной записи длинных двоичных чисел, а так-же элементы двоичной арифметики и формы кодирования числовой и символь-ной информации.

2.1 Двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления

Вынесенные в заголовок раздела названия систем счисления, наряду с

общеизвестной десятичной системой, представляют так называемые позицион-ные системы счисления [21]. В позиционных системах счисления положение (позиция) каждой цифры в числе определяет ее значение, или вес15. Например, десятичное число 123.456 является, по сути, сокращенной записью следующего выражения:

(1 × 102)+(2 × 101)+(3 × 100)+(4 × 10-1)+(5 × 10-2)+(6 × 10-3)

Положение любой цифры определяет степень числа с основанием 10, на

которую эта цифра умножается. В данном примере цифра 1 находится в разряде сотен (102), 2 − десятков (101), 3 − единиц (100), 4 − десятых долей (10-1), 5 − со-тых долей (10-2) и 6 − тысячных долей (10-3).

Наиболее важными особенностями позиционных систем счисления явля-ются следующие:

1. Количество цифр системы равно ее основанию. 2. Наибольшая цифра на единицу меньше основания.

15 Существуют непозиционные системы счисления, в которых значение цифры в записи числа не зависит от ее местоположения. Примером непозиционной системы счисления, применяющейся в настоящее время, может служить так называемая римская система.

29

3. Каждая цифра числа умножается на основание в степени, значение ко-торой определяется положением цифры.

В позиционном представлении целая часть дробного числа (выражений, имеющих положительный показатель степени) отделяется от дробной части (выражений, имеющих отрицательный показатель степени) с помощью деся-тичной точки16. Поэтому число N можно представить в виде

N = NI + NF , где NI и NF − соответственно целая и дробная часть числа. В приведенном вы-ше примере NI = 123, а NF = 0.456.

Двоичная система счисления является простейшей среди позиционных систем, так как имеет всего две цифры − 0 и 1. Основанием двоичной системы счисления является 2. Например, двоичное число 101.101 эквивалентно деся-тичному числу17

(1 × 22) + (0 × 21) + (1 × 20) + (1 × 2-1) + (0 × 2-2) + (1 × 2-3) = 5.62510

Преобразование десятичного числа в двоичное производится с помощью

последовательного деления преобразуемого числа на 2 с одновременным сле-жением за получающимися остатками. Например, десятичное число 37 эквива-лентно двоичному числу 100101, которое получается в результате выполнения следующих операций целочисленного деления и соответствующей записи полу-ченных остатков от деления:

37 : 2 = 18 (остаток 1)18 : 2 = 9 (остаток 0) 9 : 2 = 4 (остаток 1) 4 : 2 = 2 (остаток 0) 2 : 2 = 1 (остаток 0) 1 : 2 = 0 (остаток 1)

1 0 0 1 0 1 Работа с двоичными числами неудобна для человека, поскольку двоич-

ные числа представляются длинными последовательностями нулей и единиц (так, например, двухзначное число 37 в двоичной системе счисления записыва-ется уже шестью двоичными цифрами). Чтобы представить двоичные числа в

16 Так принято в США, Канаде и ряде других стран. В Европе формат записи дробных чисел предусматривает использование для этой цели десятичной запятой.

17 Подстрочные символы в записи числа используют для обозначения основания системы счисления; их опускают, если известно, о каком основании идет речь.

30

более компактной форме, используются восьмеричная (с основанием 8) или ше-стнадцатеричная (с основанием 16) система счисления.

В восьмеричной системе счисления двоичное число разбивается на груп-пы бит, по три в каждой, считая справа. Далее каждая триада (тройка) бит заме-няется восьмеричной цифрой в соответствии со следующим соотношением:

Двоичное Восьмеричная представление цифра 000 0 001 1 010 2 011 3 100 4 101 5 110 6 111 7

Таким образом, двоичное число 100 101 может быть легко преобразовано в восьмеричное 45. Процесс обратного преобразования заключается в замене каждой восьмеричной цифры числа соответствующей триадой бит. Например, восьмеричное число 101 представляется двоичным числом 1 000 001.

Другой компактной формой представления двоичных чисел является ше-стнадцатеричная система счисления. Для записи двоичного числа в шестнадца-теричной системе счисления оно разбивается на группы бит, по четыре в каж-дой, считая справа. Далее каждая тетрада (четверка) бит заменяется шестна-дцатеричной цифрой в соответствии со следующим соотношением:

Двоичное Шестнадцатеричная представление цифра 0000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 1000 8 1001 9 1010 A 1011 B 1100 C 1101 D 1110 E 1111 F

31

Таким образом, двоичное число 0110 1111 запишется в шестнадцатерич-ной системе счисления как 6F. Процесс обратного преобразования заключается в замене каждой шестнадцатеричной цифры числа соответствующей тетрадой бит. Например, шестнадцатеричное число ABCD представляется двоичным числом 1010 1011 1100 1101. Шестнадцатеричная запись числа предпочтитель-нее восьмеричной, поскольку она компактнее; например, 8-разрядное двоичное число может быть представлено двумя шестнадцатеричными цифрами, в то время как восьмеричных цифр для той же цели требуется три.

2.2 Двоичная арифметика

Выполнение арифметических операций с двоичными числами отличается чрезвычайной простотой (на это указывали еще Паскаль и Лейбниц). Рассмот-рим правила выполнения арифметических операций (сложение, вычитание, ум-ножение и деление) с двоичными числами, т.е. двоичную арифметику.

2.2.1 Сложение

Для сложения двух чисел, записанных в двоичной системе счисления, достаточно знать следующую простейшую таблицу сложения:

0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 1 + 1 = 10 (перенос в старший разряд)

Последняя сумма представляет собой двузначное число, полученное в ре-

зультате переноса одной двоичной единицы в соседний старший разряд. Сло-жение нескольких двоичных чисел выполнять немного сложнее, так как в ре-зультате поразрядного сложения могут получиться переносы, превышающие единицу. В таких случаях приходится учитывать переносы не только в сосед-ний, но и другие старшие разряды. Например, сложение двоичных веществен-ных чисел 110.1011 и 10111.10101 выполняется следующим образом:

1 1 0 . 1 0 1 1

+ 1 0 1 1 1 . 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 . 0 0 0 1 1 (поразрядная сумма без учета переносов) + 1 1 1 1 (переносы) 1 1 1 0 0 . 0 1 0 1 1 (поразрядная сумма без учета повторных переносов) + l (повторные переносы) 1 1 1 1 0 . 0 1 0 1 1 (окончательная сумма)

32

2.2.2 Вычитание

Для вычитания одного двоичного числа из другого необходимо знать сле-дующую простейшую таблицу вычитания:

0 − 0 = 0 1 − 0 = 1 1 − 1 = 0

10 − 1 = 1 (заём из старшего разряда) Вычитание в двоичной системе счисления выполняется аналогично вычи-

танию в десятичной системе. При необходимости, когда в некотором разряде приходится вычитать единицу из нуля, занимается единица из следующего старшего разряда. Если в следующем старшем разряде находится нуль, то заём делается в ближайшем старшем разряде, содержащем единицу. При этом сле-дует помнить, что занимаемая единица равна двум единицам данного разряда, т.е. вычитание выполняется согласно последней строки таблицы. Например, вычитание числа 1101.01111 из числа 11010.1011 выполняется следующим об-разом:

1 1 0 1 0 . 1 0 1 1 − 1 1 0 1 . 0 1 1 1 1 1 1 0 1 . 0 0 1 1 1

2.2.3 Умножение

Для того чтобы выполнить умножение одного двоичного числа на другое,

необходимо знать следующую простейшую таблицу умножения: 0 × 0 = 0 0 × 1 = 0 1 × 0 = 0 1 × 1 = 1

Кроме того, необходимо уметь складывать двоичные числа (см. выше

“Сложение”). Например, перемножение двоичных чисел 1001 и 1101 выполня-ется следующим образом:

1 0 0 1 − множимое × 1 1 0 1 − множитель 1 0 0 1 − первое частичное произведение + 0 0 0 0 − второе частичное произведение + 1 0 0 1 − третье частичное произведение 1 0 0 1 − четвертое частичное произведение 1 1 1 0 1 0 1 − произведение

33

Следует отметить, что в процессе перемножения применяются следую-

щие два правила умножения одного двоичного числа на двоичную цифру: 1. Если эта двоичная цифра (множитель) равна 1, то двоичное число (мно-

жимое) просто копируется. 2. Если этот множитель равен 0, то частичное произведение равно 0.

Пример перемножения дробных двоичных чисел приведен ниже.

1 1 0 . 0 1 × 1 0 1 . 1 1 1 1 0 0 1 + 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 + 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 Промежуточный результат (без указания “двоич-

ной” точки, отделяющей дробную часть двоичного числа от целой)

1 0 0 0 1 1 . 1 1 1 1 Окончательный результат

2.2.4 Деление

Деление двоичных чисел производится аналогично делению десятичных чисел, т.е. путем повторяющихся операций вычитания. Чтобы продемонстри-ровать выполнение операций двоичного деления, достаточно рассмотреть деле-ние двух целых двоичных чисел, поскольку делимое и делитель всегда могут быть приведены к такому виду путем переноса “двоичной” точки в делимом и делителе на одинаковое число разрядов и записи 0 в недостающие справа раз-ряды. Например, деление дробного двоичного числа 1100.011 на дробное дво-ичное 10.01 равносильно делению двух целых двоичных чисел 1100011 и 10010, которое выполняется следующим образом:

1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 − 1 0 0 1 0 1 0 1 . 1 1 1 0 1 1 − 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 − 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0

2.3 Представление числовых данных

Двоичный разряд, или бит, представляется в компьютере с помощью не-

которого физического устройства (например, триггера). Это устройство может находиться в одном из двух различных состояний, которым приписываются два различных значения: “двоичный 0” или “двоичная 1”. Набор соответствующего

34

количества таких устройств используется для представления многоразрядных двоичных чисел.

В компьютере все числа могут быть представлены в одной из двух основ-ных форм: с фиксированной точкой (естественная форма) или с плавающей точкой (полулогарифмическая форма).

2.3.1 Представление целых чисел

В форме представления чисел с фиксированной точкой положение точки фиксируется в определенном месте: либо перед старшим разрядом, либо после младшего разряда числа. В первом случае могут быть представлены только те числа, модуль которых не превышает 1. Во втором случае могут быть представ-лены только целые числа (именно этот случай мы и рассмотрим). На рис. 2.1 показана так называемая разрядная сетка для представления 16-разрядных це-лых двоичных чисел.

1 1 1 1 1 1 Номер 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 бита

Рис. 2.1 Представление целых двоичных чисел

В компьютере, как правило, имеются несколько форматов для представ-

ления целых чисел, различающихся количеством используемых бит (см. табл. 2.1).

Таблица 2.1 Диапазон представления целых чисел

Типы данных

Диапазон

Разрядность

двоичная (бит)

десятичная (цифр)

Целое без знака в байте 0 … 255 8 3 Целое со знаком в байте -128 … 127 8 3 Целое без знака в слове 0 …65535 16 5 Целое со знаком в слове -32768 … 32767 16 5 Целое без знака в двой-ном слове

0 … 232 -1 32 9

Целое со знаком в двой-ном слове

-231 … 231 -1 32 9

Знак числа

Точка

214 213 212 211 210 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 Значение бита

35

2.3.2 Представление вещественных чисел

В общем случае представление числа с плавающей точкой имеет сле-дующий вид:

x = q×sp; |q| < 1, где q − мантисса числа (правильная дробь); sp − так называемая характеристика числа x; s − основание характеристики; p − порядок, определяющий положение точки в числе x (может быть как положительным, так и отрицательным).

Примечание. Поскольку часть представления числа (порядок) выражена в логарифмической форме, это представление, как отмечалось выше, называет-ся полулогарифмическим. Напоминаем, что если имеется показательная функ-ция y = f(x) = ax, то обратная к ней функция называется логарифмической и обозначается x = f(y) = logay.

Применительно к двоичной системе счисления представление с плаваю-щей точкой имеет вид:

x = q×2p; |q| < 1.

На рис. 2.2 показан пример разрядной сетки (32 бита) для представления чисел с плавающей точкой. Поскольку порядок (также как и мантисса) может быть как положительным, так и отрицательным, то под его знак следовало бы отвести один бит. Наличие двух знаков в представлении числа усложняет вы-полнение арифметических операций с вещественными числами. Поэтому для порядка (р) часто используют так называемое представление со смещением (или с избытком). В этом случае порядок всегда представляется положитель-ным числом, а диапазон возможных его значений (например, от 0 до 255) де-лится на две части. Одна часть (от 0 до 127) отводится под представление отри-цательных порядков, другая (от 129 до 255) − под представление положитель-ных порядков, а “пограничное” значение 128 означает нулевой порядок (пример записи порядка с “избытком 128”).

№ бита30

31 8 7 0

Знак числаПорядок − биты 0-7Мантисса − биты 8-30Знак числа − бит 31

Рис. 2.2 Представление чисел с плавающей точкой

2.3.3 Представление отрицательных чисел

Существуют три основных формы представления отрицательных чисел:

36

1. Прямой код. Отрицательное число, записанное в прямом коде, хра-нится в виде знака и абсолютной величины числа. Например, двоичное число -11 представляется в прямом коде как 10000011, где крайняя левая единица ука-зывает на то, что это отрицательное число; 00000011 обозначает абсолютную величину числа.

2. Обратный код. Обратный код отрицательного числа образуется путем инвертирования бит, представляющих абсолютное значение числа в записи прямого кода. Например, двоичное число -11 представляется в обратном коде как 11111100, где крайняя левая единица указывает на то, что это отрицатель-ное число, а 11111100 является дополнением его абсолютной величины до 1.

3. Дополнительный код. Дополнительный код отрицательного числа об-разуется прибавлением 1 к младшему биту обратного кода этого числа. Други-ми словами, если i − положительное двоичное число, то -i − двоичный результат выражения 2n-i, где n − количество бит в байте или машинном слове. Напри-мер, число -11 представляется в дополнительном коде как 11111101.

В компьютерах для представления отрицательных чисел преимуществен-но используется дополнительный код. Это связано с тем, что дополнительный код позволяет избежать так называемой “проблемы двух нулей”, имеющей ме-сто в представлении как с прямым, так и с обратным кодом.

Кратко суть этой проблемы состоит в следующем. При выполнении вы-числений на компьютере может возникнуть как “положительный”, так и “отри-цательный” нуль. В прямом коде положительный нуль представляется как 000...0, а отрицательный нуль − как 100...0. Например, следующие простые вы-числения, выполненные в прямом коде:

(-1) - (-1) = 1 0 0 0 0 0 0 1 (-1) - (+1) = 1 0 0 0 0 0 0 1 - 1 0 0 0 0 0 0 1 - 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

приводят к возникновению ситуации положительного и отрицательного нулей.

В обратном коде положительный нуль представляется как 011...1, а отри-цательный − как 111...1. В качестве упражнения для самопроверки придумать примеры, аналогичные приведенным выше, которые иллюстрируют наличие двух различных представлений нуля для обратного кода.

Таким образом, в любой из рассмотренных двух систем кодов имеются по два различных (!) представления нуля. С математической точки зрения это не-корректно, поскольку известно, что +0 = -0 = 0. Использование системы с до-полнительным кодом “снимает” эту проблему, так как в этом случае отрица-тельный нуль отсутствует

(-0)доп = 111...1+1 = 000...0

Возникающий при этом перенос единицы из бита знака (выход за преде-

лы разрядной сетки) игнорируется. Таким образом, если представлять положи-

37

тельные числа прямым кодом, а отрицательные − дополнительным, то положи-тельный и отрицательный нули будут иметь одинаковое представление.

При выполнении алгебраического сложения двоичных чисел с использо-ванием дополнительного кода положительные слагаемые представляются в прямом коде, а отрицательные − в дополнительном. Затем производится ариф-метическое суммирование этих кодов, включая биты знаков, которые рассмат-риваются как старшие биты. При возникновении переноса из бита знака едини-ца переноса отбрасывается. Если полученная сумма положительна, то она рас-сматривается как число, записанное в прямом коде, в противном случае − как число, записанное в дополнительном коде.

Применение дополнительного кода для представления отрицательных чи-сел упрощает операцию алгебраического сложения. Алгебраическое сложение чисел с разными знаками заменяется арифметическим сложением кодов (вклю-чая биты знаков), при этом автоматически формируется код знака результата.

2.4 Кодирование символьной информации

Современный компьютер является универсальным устройством для обра-

ботки информации. Он обрабатывает не только числовую, но и символьную информацию (буквы, цифры, синтаксические знаки, математические и другие символы). Именно такой характер имеет экономическая, бухгалтерская, стати-стическая и другая информация, содержащая наименования предметов, фами-лии и имена людей, род их занятий и т.д. Для того чтобы компьютер мог обра-батывать разнообразную символьную информацию, все символы, представ-ляющие эту информацию, должны быть заменены соответствующими кодами, т.е. закодированы.

Для представления символьной информации в компьютерах наиболее часто используется 7-разрядный код ASCII (произносится “Эз-ки”). ASCII − это аббревиатура, образованная от слов “American Standard Code for Information Interchange” (переводится с английского как “американский стандартный код для обмена информацией”). В отечественной практике широко распространен аналог ASCII − код КОИ-7 (код для обмена информацией, 7-разрядный).

Код ASCII ставит в соответствие каждому символу уникальную комбина-цию из семи бит (разрядов). Поскольку значащих бит всего семь, то таких ком-бинаций будет 27, т.е. 128 (начиная с 0000000 и заканчивая 1111111). Этого ко-личества комбинаций бит вполне хватает, чтобы закодировать все прописные и строчные буквы алфавита (в случае ASCII − английского), все цифры десятич-ной системы счисления, все знаки препинания и специальные символы (напри-мер, $, &, @ и другие). Первые 32 комбинации бит зарезервированы под так на-зываемые управляющие символы, такие, как “звонок”, “перевод строки” “воз-врат каретки” и другие, которые используются для управления экраном дис-плея и печатающим устройством. Остальные 96 комбинаций относятся к так на-зываемым печатным кодам и все они − за исключением первого (пробел) и по-

38

следнего (забой символа) − соответствуют каким-то символам. Коды ASCII для печатных символов приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Коды ASCII для печатных символов

Система счисления

Символ

Система счис-ления

Символ

Система счис-ления

Символ

8 10 16 8 10 16 8 10 16 40 32 20 Пробел 100 64 40 @ 140 96 60 ` 41 33 21 ! 101 65 41 A 141 97 61 a 42 34 22 “ 102 66 42 B 142 98 62 b 43 35 23 # 103 67 43 C 143 99 63 c 44 36 24 $ 104 68 44 D 144 100 64 d 45 37 25 % 105 69 45 E 145 101 65 e 46 38 26 & 106 70 46 F 146 102 66 f 47 39 27 ‘ 107 71 47 G 147 103 67 g 50 40 28 ( 110 72 48 H 150 104 68 h 51 41 29 ) 111 73 49 I 151 105 69 i 52 42 2A * 112 74 4A J 152 106 6A j 53 43 2B + 113 75 4B K 153 107 6B k 54 44 2C , 114 76 4C L 154 108 6C l 55 45 2D - 115 77 4D M 155 109 6D m 56 46 2E . 116 78 4E N 156 110 6E n 57 47 2F / 117 79 4F O 157 111 6F o 60 48 30 0 120 80 50 P 160 112 70 p 61 49 31 1 121 81 51 Q 161 113 71 q 62 50 32 2 122 82 52 R 162 114 72 r 63 51 33 3 123 83 53 S 163 115 73 s 64 52 34 4 124 84 54 T 164 116 74 t 65 53 35 5 125 85 55 U 165 117 75 u 66 54 36 6 126 86 56 V 166 118 76 v 67 55 37 7 127 87 57 W 167 119 77 w 70 56 38 8 130 88 58 X 170 120 78 x 71 57 39 9 131 89 59 Y 171 121 79 y 72 58 3A : 132 90 5A Z 172 122 7A z 73 59 3B ; 133 91 5B [ 173 123 7B { 74 60 3C < 134 92 5C \ 174 124 7C | 75 61 3D = 135 93 5D ] 175 125 7D } 76 62 3E > 136 94 5E ^ 176 126 7E ~ 77 63 3F ? 137 95 5F _ 177 127 7F Забой

Для хранения одного символа информации в большинстве компьютеров

используется один байт памяти. Как было показано в табл. 2.1, в байте может храниться 256 различных двоичных комбинаций (от 00000000 до 11111111). Ес-ли учесть содержимое табл. 2.2, остается еще 127 двоичных комбинаций (от 10000000 до 11111111) для представления других графических обозначений (символов псевдографики, букв национальных алфавитов и т.д.). Таким обра-зом, одна половина таблицы кодов ASCII (см. табл. 2.2) остается фиксирован-

39

ной, а другая − может быть наполнена различными символами, которым соот-ветствуют коды в диапазоне от 128 до 255.

Примечание. Имеются серьезные исследовательские работы, посвящен-ные теории информации, различным способам кодирования информации и за-щиты информации от искажения при ее передаче. В качестве основополагаю-щих источников при изучении данных вопросов можно рекомендовать класси-ческие научные труды [22, 23].

Вопросы и задания для самопроверки 1. Записать число 199410 в двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной сис-темах счисления.

2. Записать число -199410 в прямом, обратном и дополнительном кодах. 3. Даны три числовых значения: 3778, 25510 и FF16. Расположить их в порядке убывания величины.

4. Даны два числа: ABBA16 и BABA16. Какое из них больше и на сколько? 5. Сложить два числа BABA16 и DED16. Полученный результат представить в двоичной, восьмеричной и десятичной системах счисления.

6. Какое сообщение закодировано следующей последовательностью двоичных нулей и единиц, сгруппированных по байтам (при чтении групп байт исполь-зовать естественный порядок − слева направо и сверху вниз, а при декодиро-вании каждого байта − группировать биты, начиная справа):

01001001 00100000 01001100 01001111 01010110 01000101 00100000 01011001 01001111 01010101

7. Закодировать сообщение “Good bye, my love!” в виде последовательности по-байтно сгруппированных двоичных нулей и единиц (см. выше).

Глава 3

Технические средства персонального компьютера

3.1 Основные понятия микропроцессорной техники

Одним из выдающихся достижений эволюционного развития вычисли-тельной техники явилось создание первого микропроцессора фирмой Intel в 1971 году. Этот микропроцессор, состоящий из 2250 транзисторов в кристалле (чипе) площадью менее 1 см2, получил наименование 4004. Он позволяет вы-полнить сложение двух 4-битных чисел за 11 микросекунд (1 мкс = 10-6 с). В 1972 году фирма Intel выпустила 8-битный микропроцессор 8008, а в 1974 году − микропроцессор 8080 (4500 транзисторов, 8-битный), который на несколько лет стал фактическим стандартом микрокомпьютерной технологии. С тех пор фирма Intel (Integrated Electronics − интегральная электроника) является при-знанным лидером в области микроэлектроники.

40

Микропроцессор представляет собой центральный процессор, выполнен-ный в виде интегральной микросхемы, с собственной системой команд. В соче-тании с другими микросхемами (память, математический сопроцессор, сопро-цессор ввода-вывода) микропроцессор образует так называемый микрокомпью-тер, часто не уступающий по производительности многим моделям больших машин 1950-60 гг.

Помимо микропроцессора, микрокомпьютер содержит также ряд компо-нентов, обеспечивающих его работу (рис. 3.1). Краткое описание функциональ-ного назначения этих компонентов представлено ниже. Более подробную ин-формацию можно найти в [24].

Устройствоввода-вывода

Внешняяпамять

Логикауправленияшиной

Микропроцессор

Генераторсинхронизации

Интерфейс

Интерфейс

Модуль памяти

• • •

• • •

Подсистема ввода-выводапамять

Оперативнаяпамять

С и

с т

е м

н а

я ш

и н

а

Модуль памяти

Интерфейс

Интерфейс

Рис. 3.1 Общая структурная схема типичного микрокомпьютера Шины (или магистрали) связывают различные устройства компьютера.

Шина (bus) − это совокупность токопроводящих соединений (линий); она может быть выполнена в виде многожильного кабеля (шлейфа) или в виде специаль-ной печатной платы. По своему функциональному назначению шины подраз-деляются на три группы: шину управления (для передачи управляющих сигна-

41

лов), шину адреса (для передачи адресных сигналов) и шину данных (для пере-дачи сигналов, представляющих данные). Причем адресная шина и шина дан-ных могут быть выполнены в виде мультиплексной шины, когда одни и те же проводники шины в разные моменты времени используются для передачи как адресных сигналов, так и сигналов данных. Иногда микропроцессор образно сравнивают с “сердцем” компьютера и в этом случае шины уместно сравнить с его “кровеносными артериями”.

Генератор тактовых импульсов синхронизирует внутренние операции компьютера путем посылки регулярных электрических сигналов по шине управления. Генератор тактовых импульсов может быть выполнен либо в виде специальной интегральной схемы, либо “встроен” в кристалл микропроцессора. Некоторые генераторы вырабатывают импульсы нескольких частот, координи-руя работу компонентов компьютера с различным быстродействием. Это дости-гается путем использования специальных электронных схем − умножителей и делителей частоты, выполняющих кратное некоторой целой константе умноже-ние и деление опорной тактовой частоты соответственно.

Опорная тактовая частота, использующаяся генератором тактовых им-пульсов, вырабатывается кварцевым резонатором (“кварцем”), находящимся вне генератора и “запускающимся” при подаче напряжения на него. Кристалл кварца под воздействием электрического поля начинает вибрировать с постоян-ной частотой 14.31818 МГц (1 МГц равняется 106 колебаний в секунду). При каждом колебании кристалл генерирует импульс напряжения. Именно эти регу-лярно повторяющиеся импульсы вместе с другими сигналами задают темп ра-боты устройств компьютера и обеспечивают срабатывание различных элек-тронных компонентов.

Порты ввода-вывода используются компьютером для обмена информаци-ей с “окружающей средой”. Существуют порты ввода (через которые информа-ция поступает в компьютер), порты вывода (через которые информация выво-дится из компьютера) и универсальные порты, совмещающие в себе обе эти функции. Кроме того, все порты подразделяются на последовательные и па-раллельные в зависимости от способа передачи байта (слова) данных: либо по-битно (с разборкой байта на составляющие его биты и поочередной передачей всех бит по одному “каналу”), либо целиком всего байта (в этом случае каждый бит передается по отдельному “каналу”).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)18 предназначено для хране-ния наиболее часто используемых программ. В настоящее время существуют четыре различных типа ПЗУ: масочное ПЗУ, программируемое ПЗУ (ППЗУ), стираемое программируемое ПЗУ (СППЗУ), электрически стираемое програм-мируемое ПЗУ (ЭСППЗУ).

18 ПЗУ, в отличие от ОЗУ, сохраняет записанную в него информацию и после отключения питания компьютера. В англоязычной литературе для обозначения ПЗУ используется аб-бревиатура ROM (Read Only Memory − память только для чтения).

42

Запись информации в масочное ПЗУ выполняется в ходе технологическо-го процесса изготовления микросхем ПЗУ с использованием масок-фотошаблонов. Информация, записанная в масочное ПЗУ, может только считы-ваться и изменение ее пользователем невозможно. Запись информации в ППЗУ может быть выполнена пользователем лишь однократно. Наибольшее распро-странение среди пользователей получили микросхемы ПЗУ с пережигаемыми перемычками. Запись информации в ПЗУ данного типа выполняется с помощью специального устройства, называемого программатором. После того, как пере-мычки в микросхеме ППЗУ разрушены, информацию в ней уже невозможно изменить.

Программирование СППЗУ также выполняется с помощью программато-ра путем подачи на микросхему импульсов высокого напряжения. Информа-цию, записанную в СППЗУ, можно стереть, если воздействовать на кристалл интенсивным ультрафиолетовым излучением через специальное кварцевое окошко в корпусе микросхемы. После этого микросхема СППЗУ становится пригодной для записи новой информации.

В последнее время все большее распространение получают микросхемы ЭСППЗУ. Их использование аналогично использованию СППЗУ с той лишь разницей, что стирание информации в случае ЭСППЗУ производится путем по-дачи специальных электрических импульсов в течение определенного времени. Современная технология флэш-памяти (flash memory), разработанная фирмой Intel, позволяет создавать микросхемы ЭСППЗУ высокой емкости, которые об-ладают очень хорошими характеристиками (применительно к ПЗУ): время счи-тывания информации из ячейки − 10 микросекунд, время записи − 1 миллисе-кунда (1 мс = 10-3 c), допустимое количество циклов “очистка-запись” − 100000.

Контрóллер прямого доступа к памяти (ПДП, DMA − Direct Memory Ac-cess) позволяет обеспечить высокоскоростной обмен информацией между опе-ративной памятью и устройствами ввода-вывода компьютера, минуя основной микропроцессор. В отличие от микропроцессора, который является универсаль-ным устройством и рассчитан на широкий класс задач, контроллер ПДП выпол-няет всего лишь одну функцию, но очень быстро. Получив запрос на прерыва-ние от устройства ввода-вывода, контроллер ПДП посылает сигнал микропро-цессору, предлагая ему сделать “кратковременный” перерыв. Микропроцессор, ответив сигналом, подтверждающим “согласие” на перерыв, временно уступает управление шинами контроллеру ПДП, а сам переходит в состояние ожидания. Получив в свое распоряжение шины компьютера, контроллер ПДП быстро про-гоняет данные между ОЗУ и устройством ввода-вывода и возвращает управле-ние микропроцессору. Таким образом, использование механизма ПДП сущест-венно повышает производительность вычислительных систем в тех случаях, ко-гда велик объем операций ввода-вывода.

Иногда основной микропроцессор не рассчитан на выполнение арифме-тических операций над дробными числами (числами с плавающей точкой). В

43

таких случаях эти операции либо эмулируются (моделируются) с помощью про-граммного обеспечения (при этом скорость вычислений резко снижается), либо используется специальный (математический) сопроцессор, ориентированный на работу с дробными числами. Во втором случае осуществляется своего рода раз-деление труда между основным микропроцессором и сопроцессором, которое существенно повышает скорость вычислений с плавающей точкой.

3.2 Фенóмен19 персонального компьютера

Когда видишь сегодня “персоналку” стоимостью менее 500 долларов, скрывающую в своем элегантном металлическом (иногда пластмассовом) кор-пусе мощный 32-разрядный процессор, работающий с тактовой частотой в не-сколько сотен мегагерц, 128-ми и более мегабайтную оперативную память, маг-нитные диски емкостью в несколько десятков гигабайт, невольно поражаешься тому, как сравнительно быстро “гадкий утенок” превратился в могучего “кра-савца-лебедя” (помните эту сказку Андерсена?).

А началось все с того, что в 1975 году в январском номере американского журнала “Popular Electronics” (Популярная электроника) была опубликована статья с описанием микрокомпьютера “Альтаир-8800”, который мог собрать каждый желающий из набора деталей, изготавливаемых фирмой MITS (Micro Instrumentation and Telemetry System − произносится “Майкроинструментейшн энд телеметри системс”). В собранном виде этот компьютер представлял собой небольшой металлический ящик, окрашенный в голубой цвет, на передней па-нели которого располагались ряды переключателей и индикаторных лампочек. Внутри ящика находилась электронная “начинка”, основу которой составляла интегральная схема микропроцессора 8080 фирмы Intel. Объем оперативной памяти первого “Альтаира” составлял всего 256 байт. Ввод программы и дан-ных для обработки в оперативную память осуществлялся в двоичном виде (по-байтно) с помощью переключателей (по одному переключателю на каждую двоичную цифру байта). Результат вычислений высвечивался на панели с по-мощью индикаторных лампочек (также в двоичном виде, который нужно было расшифровывать: если лампочка горит, то двоичная 1, в противном случае − двоичный 0). Как видим, “Альтаир”, который принято считать первым персо-нальным (бытовым?) компьютером, предназначался для людей отнюдь не роб-кого десятка.

Отчаянные энтузиасты электронной и компьютерной техники, получив возможность купить компьютер за четыреста долларов, сразу же воспользова-лись ею. Среди них оказались и два друга − молодой программист фирмы Honeywell Пол Аллен и студент-второкурсник Гарвардского университета Билл Гейтс, которые за три недели написали и отладили компактный интерпретатор языка Бейсик для “Альтаира”, используя в качестве инструментальной машины

19 От греч. phainomenon − исключительное, редкое, необычное явление.

44

большой компьютер. После получения перфоленты с интерпретатором Бейсика Пол Аллен сразу же отправился в городок Альбукерке (штат Нью-Мексика), чтобы показать программу Эду Робертсу, владельцу фирмы MITS. Программу загрузки (загрузчик) интерпретатора с перфоленты в память компьютера Алле-ну пришлось писать уже в самолете. Испытания интерпретатора прошли ус-пешно, и фирма MITS стала продавать интерпретатор Бейсика по цене 500 дол-ларов за экземпляр (сумма, превышающая стоимость самого компьютера!).

Вслед за фирмой MITS к выпуску микрокомпьютеров приступил и ряд других фирм. Среди них наибольшего успеха добились такие фирмы, как Apple Computers (произносится “Эпл компьютерс”), Commodore International (“Коммо-доре интернэшнл”) и Tandy Radio Shack (“Тэнди рэдио шэк”). Однако настоя-щий успех пришел к фирме IBM после выпуска ею в 1981 году своего персо-нального компьютера − IBM PC. Именно с этого момента начинается новая эпоха в истории микрокомпьютеров − “эра IBM PC-совместимых компьютеров” [25].

3.3 “Открытая” архитектура, или все дело в принципе

До 1981 года фирма IBM была известна во всем мире как крупнейший

производитель больших компьютеров20 (в настоящее время компьютеры подоб-ного класса называют мэйнфреймами). В августе 1981 года она вступила в кон-курентную борьбу на недавно открытом рынке персональных компьютеров (ПК), выпустив свою первую “писишку” (IBM PC произносится как “Ай-Би-Эм Пи-Си”). К этому времени на рынке ПК уже обосновались и “правили бал” та-кие компьютерные фирмы, как Tandy Corporation (микрокомпьютер “Tandy TRS-80”), Apple Computers (микрокомпьютер “Apple II”) и некоторые другие. Однако компьютеры этих фирм имели так называемую “закрытую” архитекту-ру, т.е. аппаратные средства ПК оставались для конечных пользователей, фило-софски выражаясь, “вещью в себе” и любая их модификация требовала профес-сиональных знаний в области электроники. IBM PC, построенный по принципу “открытой” архитектуры, оказался именно тем персональным компьютером, ко-торого ждал рынок: гибким, легко адаптируемым, способным использовать раз-нообразные дополнительные устройства других фирм-производителей. Хотя компоненты первых “писишек” были весьма далеки от совершенства, эти ком-пьютеры, благодаря реализованному в них принципу “открытой” архитектуры, одержали победу в жесткой конкурентной борьбе.

Приступая в 1980 году к разработке ПК, фирма IBM отказалась от своего кредо, которому следовала до сих пор и которое можно сформулировать сле-дующим образом: разрабатывая новый компьютер, делать все необходимое “своими руками”. Это объясняется, по-видимому, тем, что руководство фирмы 20 В нашей стране фирма IBM получила известность в 70-е годы как производитель компь-ютеров IBM/360 (а затем и IBM/370), послуживших прототипами отечественных ЕС ЭВМ.

45

сомневалось в перспективности рынка ПК и не особенно надеялось на коммер-ческий успех своего “мероприятия”. Средства, отпущенные на разработку ПК, были небольшими, да и сама группа инженеров-разработчиков, обосновавшаяся в городке Бока-Рейтон (штат Флорида), состояла всего из дюжины человек. За-дача, поставленная перед руководителем проекта, была предельно краткой − выпустить на рынок как можно быстрее персональный компьютер. Чтобы ре-шить эту задачу разработчики использовали готовый микропроцессор (МП) i8088 фирмы Intel, готовые дисководы фирмы Tandon Magnetics, готовый мони-тор и т.д. Именно стесненность в средствах и жесткие сроки привели к реше-нию использовать “открытую” архитектуру ПК, а также аппаратные и про-граммные средства, разработанные вне стен IBM. В частности, контракт на соз-дание операционной системы (ОС) для разрабатываемого ПК был заключен с фирмой Microsoft Corporation (произносится “Майкрософт корпорейшн”), кото-рую основали упомянутые выше Билл Гейтс и Пол Аллен [26].

Фирма IBM использовала при создании своего ПК принцип модульности (хорошо известный разработчикам больших машин) и, кроме того, ввела в кон-струкцию системной платы ПК гнезда (разъемы, слоты) расширения, которые позволили подключать дополнительные устройства непосредственно к шине компьютера. На платах, вставляемых в гнезда расширения, могут содержаться дополнительная память, контроллеры дисководов, видеоадаптеры, адаптеры локальной сети, модемы, различные приборные интерфейсы и многое другое. Наличие у IBM PC гнезд расширения позволяет сравнительно просто произво-дить замену устаревших дополнительных устройств новыми − с улучшенными характеристиками. Достаточно смены плат управления (контроллеров) в гнез-дах расширения и подключения нового устройства к компьютеру. Все операции по смене плат и подключению устройства к ПК может выполнить даже неспе-циалист. Такой подход позволяет замедлить процесс морального старения ПК, позволяя пользователю в течение пяти и более лет поддерживать свой ПК “на должном уровне”.

Принцип “открытой” архитектуры заключается не только (и не столько!) в том, что фирма IBM открыла доступ к системной шине компьютера путем вве-дения гнезд расширения (аналогичный подход был использован и в Apple II), но и в том, что она предоставила полную техническую документацию на создан-ный ею ПК. Более того, после окончания разработки операционной системы DOS для IBM PC широким тиражом были изданы ее полные листинги. Такой нетипичной для западного рынка манерой поведения фирма IBM как бы пред-лагала другим электронным и программным фирмам принять участие в доос-нащении созданного ею ПК.

IBM PC, завоевав успех на рынке ПК, очень скоро стал примером для подражания. Ряд фирм-производителей микроэлектронной техники и среди них, уже упоминавшаяся Tandy Corporation, быстро освоили производство ПК, со-вместимых с IBM PC. Уже к 1984 году около 50 различных компаний предлага-ли свои персональные компьютеры, совместимые с IBM PC. Такие копируемые

46

компьютеры стали называться “клонами” IBM PC. Как правило, они полностью функционально совместимы со своим прототипом, но стоят дешевле и, кроме того, часто превосходят его по таким параметрам, как быстродействие, дизайн и т.д. Поэтому нет ничего удивительного в том, что к настоящему моменту фирма IBM, обладающая полным арсеналом современных технологий, является хоть и самым крупным, но не самым популярным производителем ПК своей собствен-ной архитектуры. Довольно часто оказывалось, что первые места в рейтинге ПК занимали модели фирм-копировщиков, а не модели фирмы IBM. На сегодняш-ний день в ряду крупнейших производителей IBM PC-совместимых компьюте-ров можно выделить такие фирмы, как Compaq, Dell, Gateway 2000, Hewlett-Packard, Packard Bell, Zeos и некоторые другие.

3.4 Хронология важнейших событий Хронологию “появления на свет” различных базовых моделей ПК фирмы

IBM можно представить следующими датами: • август 1981 года − IBM PC на базе микропроцессора 8088 фирмы Intel с

8-разрядной шиной данных и 20-разрядной адресной шиной, что позволяет об-ращаться к 1M (220) адресов.

• март 1983 года − IBM PC/XT (Personal Computer/eXTended version − “расширенный” ПК) на базе микропроцессора 8088 (оснащен винчестерским диском емкостью 10 Мбайт).

• август 1984 года − IBM PC/AT (Personal Сomputer/Advanced Technology − “усовершенствованный” ПК) на базе микропроцессора 80286 с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной адресной шиной (16М или 224 адресов).

• конец 1986 года − PC на базе процессора 80386 (PC/386) с 32-разрядными шиной данных и адресной шиной, что позволяет обращаться к 4Г (232) адресов (т.е. более чем к 4 млрд. байт).

• 1989 год − PC на базе процессора 80486 (PC/486) со встроенным мате-матическим сопроцессором и внутренней кэш-памятью (8 Кбайт), предназна-ченной для промежуточного хранения часто используемых команд и данных.

• март 1993 год − PC на базе процессора Pentium c 64-разрядной шиной данных и 32-разрядной адресной шиной, двумя блоками внутренней кэш-памяти по 8 Кбайт для раздельного хранения команд и данных.

• ноябрь 1995 год и позднее − PC на базе процессоров Pentium Pro, Pen-tium MMX, Pentium II, Pentium III и т.д.

Приведенный выше перечень дат нуждается в нескольких комментариях. Прежде всего, популярную некогда модель PC/386 впервые выпустила фирма Compaq Computer, а не фирма IBM. По-видимому, “самолюбие” достопочтен-ной IBM было сильно задето этим событием, да и материальный урон, наноси-мый фирмами-копировщиками, год от года становился все более и более ощу-тимым. Так или иначе, но уже весной 1987 года IBM объявила о создании со-

47

вершенно нового семейства микрокомпьютеров, получившего название PS/2 (Personal System/2 − Персональная Система/2).

По замыслу руководства фирмы компьютеры этого семейства должны были заменить все предыдущие модели IBM PC. При разработке компьютеров этого семейства IBM постаралась избежать своих прежних просчетов, позво-ливших другим фирмам “беззастенчиво” копировать предыдущие модели IBM PC. На этот раз разработчики фирмы IBM готовых компонентов не применяли. В новых компьютерах были использованы принципиально новые основные компоненты, на которые IBM имела авторские права. Кроме того, почти во всех моделях семейства PS/2 была использована совершенно иная, улучшенная структура системной шины (Micro Channel Architecture − микроканальная архи-тектура). Теперь, чтобы получить право на изготовление клона PS/2, конкурен-ты должны были купить у фирмы IBM лицензию и выплачивать “ройялти” (от-числения, зависящие от объема продаж). Таким образом, фирма IBM получила возможность контролировать цены, устанавливаемые на аналоги PS/2, т.е. про-водить, как говорится, “свою политику” на рынке персональных систем. Рынок отреагировал соответственно. В итоге − компьютеры “Пи-Эс пополам или по-ловинка системы”, несмотря на ряд архитектурных преимуществ, так и не полу-чили столь же массового распространения как IBM PC.

Микропроцессоры 80386 и 80486 выпускались также с 16-разрядной ши-ной данных (80386SX и 80486SX), что позволило удешевить использующие их компьютеры за счет использования сравнительно недорогих 16-разрядных уст-ройств ввода-вывода.

Для повышения производительности компьютера предпринимались по-пытки увеличения тактовой частоты процессора, т.е. осуществления так назы-ваемого разгона. В результате, не меняя архитектуру процессоров и технологию их изготовления, были получены хорошие показатели (386DX2 − повышение стандартной тактовой частоты 25 МГц вдвое, 486DX2 и 486DX4 − повышение стандартной тактовой частоты 33 МГц в два и четыре раза соответственно).

Фирма Intel − первый и основной разработчик микропроцессоров для IBM PC − также как и фирма IBM стала объектом пристального внимания со сторо-ны конкурирующих фирм (Advanced Micro Devices − AMD, Cyrix и других), производящих интегральные схемы для цифровой электроники. Чтобы избе-жать проблем с защитой авторского права на новые архитектурные решения при создании процессоров, руководство Intel зарегистрировало название Pen-tium в качестве своей торговой марки. В итоге − “наступающие на пятки” кон-куренты вынуждены были называть свои процессоры как угодно, но только не Pentium (например, фирма AMD присвоила своим изделиям названия K5, K6, K7 − Athlon). Интересно, что буква K в наименованиях процессоров фирмы AMD, часто рассматривается как начальная буква в слове “killer” − имеется в виду “убийца Pentium’ов” (своеобразная рекламная акция конкурента!).

В настоящее время тысячи фирм во всем мире тем или иным образом свя-заны с IBM PC (выпуск ПК, комплектующих и средств коммуникации, разра-

48

ботка программного обеспечения и т.д.). Для многих известных ныне в компь-ютерном мире людей именно IBM PC стал “путеводной звездой” к успеху. Так, например, Билл Гейтс, один из основателей и нынешний президент фирмы Microsoft Corporation, специализирующейся на разработке программного обес-печения для персональных компьютеров, начал свое “дело” с нескольких тысяч долларов, а спустя десятилетие стал одним из самых богатых (и молодых − сей-час ему чуть больше сорока пяти лет) людей Америки. Другие (например, Пи-тер Нортон − бывший президент ранее существовавшей фирмы Peter Norton Computing, а ныне исполнительный директор фирмы Symantec, Филипп Кан − бывший президент фирмы Borland International) также стали “живой легендой” благодаря появлению IBM PC.

3.5 Аппаратная организация IBM PC

В состав современных моделей компьютеров, совместимых с IBM PC,

входят следующие устройства: − системный (процессорный) блок; − монитор; − клавиатура; − манипулятор “мышь”. Дополнительно к компьютеру могут быть подключены: − принтер; − сканер; − графопостроитель (плоттер); − аудиоустройства (например, звуковые колонки); − манипулятор “джойстик” (используется в некоторых компьютерных иг-рах, таких как авиационные симуляторы, автомобильные гонки и т.п.);

− дигитайзер (устройство для кодирования аналоговой информации); − устройства резервного копирования информации (например, называе-мый стримером накопитель на кассетных магнитных лентах − НКМЛ);

− другие устройства, имеющие возможности сопряжения с компьютером. Ниже основные из перечисленных устройств рассмотрены подробнее.

Рамки данного пособия не позволяют дать их более полное описание, автору пришлось использовать функциональный подход, “сдобренный” в ряде случаев перечислением некоторых технических параметров.

Следует отметить, что существует множество источников, описывающих аппаратное обеспечение IBM PC-совместимых компьютеров с разной степенью детализации; среди них выделим лишь некоторые [27-30].

3.5.1 Системный блок

49

Системный блок − основное устройство персонального компьютера, предназначенное для ввода-вывода информации, ее обработки, хранения, пере-дачи и тиражирования (размножения). В состав системного блока входят сле-дующие основные компоненты:

− материнская (системная) плата; − центральный процессор; − оперативная память; − видеоадаптер (видеокарта); − накопители на магнитных дисках; − последовательные и параллельные порты ввода-вывода. Дополнительно в состав системного блока могут быть включены: − накопители на компакт-дисках (приводы CD-ROM, CD-RW, CD-DVD); − накопители на кассетных магнитных лентах (стримеры); − звуковая карта; − сетевая карта (сетевой контроллер или адаптер); − внутренний модем; − различные интерфейсные платы, использующиеся для сопряжения внешних устройств с компьютером.

Указанные выше компоненты заключены в металлический корпус с пла-стмассовой передней панелью и источником питания, обычная мощность кото-рого составляет 200…250 Вт. Источник питания предназначен для преобразо-вания переменного напряжения 220 В (или 110 В, так как в США, например, это номинальное напряжение сети) в постоянное напряжение различного номинала (±3.3 В, ±5 В, ±12 В), предназначенное для питания различных компонентов компьютера (процессора, материнской платы и плат расширения, накопителей, клавиатуры и мыши). Кроме того, в ряде случаев к источнику питания систем-ного блока подключается сетевой кабель монитора.

Материнская плата (motherboard) − большая печатная плата, на кото-рой установлены основные электронные компоненты компьютера, включая центральный процессор, память, видеоадаптер и т.д. Основными характеристи-ками материнской платы являются:

− тип поддерживаемых процессоров; − спецификация системной и локальных шин компьютера и их организа-ция;

− тип устанавливаемой оперативной памяти; − тип разъема для установки центрального процессора; − частота, на которой работает системная шина.

Центральный процессор (ЦП) − главный компонент компьютера, выпол-ненный в виде СБИС (сверхбольшая интегральная схема − имеется в виду вы-сокая степень интеграции элементов в кристалле, а не сами размеры схемы), и размещенный в специальном “гнезде” на системной плате. Как правило, основ-ной характеристикой ЦП является его внутренняя тактовая частота, от которой

50

зависит скорость выполнения команд. В настоящее время некоторые типы про-цессоров имеют тактовую частоту свыше 1 ГГц (109 Гц). Следует отметить, что при сравнении производительности различных ти-пов процессоров используются так называемые “смеси” команд, а не только простейшие команды типа пересылки или сложения “регистр-регистр”. Кроме того, общая производительность компьютера зависит также от производитель-ности всех без исключения его компонентов, среди которых особо следует вы-делить системную шину. Связь между собственными и подключаемыми (внешними) устройствами материнской платы осуществляют ее шины и логические устройства для их управления, выполненные в виде микропроцессорного набора (chip set). Разли-чают синхронные и асинхронные шины − в зависимости от того, передаются ли данные в соответствии с задающей тактовой частотой или в произвольные мо-менты времени. Системная шина IBM PC и PC/XT, иногда называемая XT-bus, обеспечи-вает одновременную передачу 8 бит данных и позволяет обращаться к 1М адре-сов памяти, т.е. имеет 8 бит данных/20 бит адреса (поскольку это разрядность базового МП 8088). Кроме того, для работы с внешними устройствами шина предоставляет по 4 линии для запросов обслуживания аппаратных прерываний (IRQ − Interrupt Request) и прямого доступа к памяти (DMA). Как системная шина, так и базовый МП, синхронизируются от одного тактового генератора с частотой 4.77 МГц, равной 1/3 опорной частоты, что теоретически позволяет достигать скорости передачи около 5 Мбайт/c.

Системная шина PC/AT, использованная в компьютерах с МП 80286 (16 бит данных/24 бита адреса), реализована в соответствии со стандартом ISA (In-dustry Standard Architecture − промышленная стандартная архитектура). Теоре-тически максимальная пропускная способность такой шины, работающей в асинхронном режиме на частоте 8 МГц, составляет 16 Мбайт/с. Шина EISA (Extended ISA − расширенная ISA) реализована в компьютерах на базе 32-разрядных МП 80386/486. Пропускная способность этой шины мо-жет достигать 32 Мбайт/c. При появлении микропроцессоров 80386 и 80486 стало очевидно, что час-тоты основной шины недостаточно для организации эффективного обмена дан-ными между процессором и оперативной памятью. Поэтому была разработана спецификация 32-разрядной локальной шины VLB (VESA Local Bus − локальная шина стандарта VESA) с тактовой частотой до 50 МГц, что позволяет обеспе-чить пропускную способность до 130 Мбайт/c. В дальнейшем к VLB стали под-ключать высокоскоростные внешние устройства. В частности, первым внешним устройством, использующим эту шину для своих целей, стал видеоадаптер (см. ниже). Основным недостатком VLB, повлекшим к отказу от ее дальнейшего ис-пользования, является сильная зависимость предельной частоты шины от коли-чества подключенных к ней устройств (при наличии двух устройств − 40 МГц, трех устройств − 33 МГц и т.д.).

51

С появлением процессоров Pentium разработчиками компьютеров была предложена 32- или 64-разрядная синхронная локальная шина PCI (Peripheral Component Interconnect − подключение внешних компонентов), обеспечиваю-щая максимальную пропускную способность 132 Мбайт/c (32 разряда/33 МГц) или 528 Мбайт/с (64 разряда/66 МГц). Для связи PCI с основной шиной компь-ютера (ISA/EISA) используется специальный интерфейсный преобразователь, получивший название “моста PCI” (PCI Bridge). Важной особенностью PCI является поддержка режима “plug-and-play” (буквально переводится с англ. как “вставляй и играй”). Суть его состоит в том, что после установки адаптера устройства в разъем PCI происходит обмен ин-формацией с материнской платой, позволяющий операционной системе выпол-нить автоматическое определение и конфигурирование устройства, т.е. задать для него номер используемого прерывания, адрес порта ввода-вывода, номер канала ПДП, установить соответствующий драйвер. В современных IBM PC-совместимых компьютерах шина PCI использует-ся только для подключения внешних устройств, а для связи процессора и опе-ративной памяти используется специальная шина FSB (Front Side Bus − шина переднего плана), работающая с частотой свыше 100 МГц, что позволяет осу-ществлять передачу данных со скоростью 800 Мбайт/c. Рабочая частота FSB является одной из важнейших потребительских характеристик и обязательно приводится в спецификации материнской платы. Оперативная память (ОЗУ, RAM) в современных микрокомпьютерах представлена совокупностью микросхем, монтируемых на отдельных платах (модулях) и устанавливаемых в специальные гнезда (слоты). Основными харак-теристиками оперативной памяти является ее объем (измеряется в Мбайтах) и время доступа (измеряется в наносекундах, 1 нс = 10-9 с). В настоящее время типичными значениями для этих характеристик являются 64−256 Мбайт и 50−70 нс. Видеоадаптер − электронная печатная плата, генерирующая видеосиг-нал, посылаемый монитору. Фактически видеосигнал формируется в результате сканирования содержимого видеопамяти. Видеоадаптер, монитор и комплект графических драйверов в совокупности образуют так называемую видеосистему персонального компьютера. Основными характеристиками видеоадаптера яв-ляются:

− тип видеопамяти и ее объем; − тип и спецификация шины (интерфейсного порта); − наличие дополнительных графических ускорителей. Видеопамять − это динамическое ОЗУ, имеющее ряд особенностей, глав-

ная из которых заключается в возможности одновременного выполнения опера-ций чтения и записи за счет наличия двух портов (входов) доступа к данным. Объем видеопамяти определяет разрешение экрана, т.е. количество отображае-мых по горизонтали и вертикали экрана точек, или пикселей (pixel − picture ele-ment, что переводится с англ. как “элемент изображения”). Кроме того, от

52

имеющегося объема видеопамяти напрямую зависит цветовое разрешение (глу-бина цвета), т.е. количество оттенков основных цветов, отображаемых на на эк-ране монитора (16, 256, 65536 и более). Формула, показывающая зависимость объема видеопамяти (в байтах) от разрешения экрана и глубины цвета, имеет следующий вид [31]:

8bnmP ⋅⋅

= ,

где P − необходимый объем видеопамяти (байт); m − горизонтальное разреше-ние экрана (точек); n − вертикальное разрешение экрана (точек); b − разряд-ность кодирования цвета (бит). Наиболее известны несколько стандартов видеоадаптеров для IBM PC-совместимых компьютеров:

− MDA (Monochrome Display Adapter) − адаптер монохромного дисплея (исторически первый видеоадаптер IBM PC), обеспечивающий работу в тексто-вом режиме с разрешением 720×348 точек;

− CGA (Color Graphics Adapter) − цветной графический адаптер, обеспе-чивающий работу в трех различных режимах: текстовый (640×200 точек, 8 цве-тов двух градаций яркости каждый), графический низкого (320×200 точек, 4 цвета) и графический высокого (640×200 точек, монохромный) разрешения;

− EGA (Enhanced Graphics Adapter) − улучшенный графический адаптер, обеспечивающий работу в текстовом и нескольких графическом режимах с мак-симальным разрешением 640×350 точек и поддержкой 16 цветов (64 оттенков);

− VGA (Video Graphics Adapter) − видеографический адаптер, обеспечи-вающий работу в нескольких графических режимах с максимальным разреше-нием 640×480 точек и поддержкой 16 цветов;

− SVGA (Super VGA) − видеографический адаптер c улучшенными харак-теристиками, обеспечивающий работу в нескольких графических режимах с разрешением 800×600 точек при 256 цветной палитре и выше.

Скорость обмена информацией между видеоадаптером и оперативной па-мятью является критичной для эффективной работы пользователей ПК. Поэто-му исторически видеоадаптер всегда являлся первым внешним устройством, получающим доступ к высокоскоростным локальным шинам доступа к памяти (VLB, PCI). В настоящее время он имеет собственную локальную шину AGP (Accelerated Graphic Port − ускоренный графический порт), работающую на частоте 33 или 66 МГц в трех режимах передачи: AGP 1x − обычный, 266 Мбайт/с; AGP 2x − двукратное умножение, 532 Мбайт/с; AGP 4x − четырех-кратное умножение, 1064 Мбайт/с.

Графический (видео) ускоритель − специализированный процессор, ори-ентированный на выполнение сложных вычислений для построения плоских (2D) и трехмерных (3D) изображений. Ускоритель может входить в состав ви-деоадаптера или поставляться в виде отдельной платы, устанавливаемой на ма-теринской плате и подключаемой к видеоадаптеру с помощью плоских кабелей.

53

Использование видео-ускорителя обеспечивает существенное увеличение ско-рости прорисовки сложных изображений на экране монитора.

Накопители информации обычно представлены в ПК так называемыми дисководами − жестким магнитным (винчестерским) диском (Hard Disk Drive − HDD) и приводом гибкого магнитного диска (Floppy Disk Drive − FDD) [32]. Носителем информации в дисковых устройствах является диск − вращающаяся круглая пластина с намагничиваемой поверхностью, способной хранить запи-санную на нее цифровую информацию. Для считывания и записи информации на диск в дисковых устройствах имеются специальные головки чтения-записи. В противоположность магнитной ленте, обеспечивающей последовательный доступ к записанной на ней информации, диск иногда называют устройством прямого (произвольного) доступа, поскольку его головка чтения-записи может быть независимо позиционирована в любое место на диске.

Как отмечалось выше, существуют два основных вида магнитных дисков: гибкий диск, или дискета, и жесткий диск. Дискета − это съемный носитель ин-формации, ее можно поместить в привод НГМД (дисковод) перед записью и/или чтением информации и удалить из привода после окончания работы с нею. Жесткий диск − это несъемный носитель информации, являющийся эле-ментом конструкции привода винчестерского диска, он не подлежит удалению из дисковода и его замена обычно означает замену всего дисковода.

Дискета изготавливается из гибкого материала (пластика), на поверхность которого наносится слой намагничиваемого вещества (например, в первых дис-кетах это были частицы оксида железа, т.е. ржавчины, связанные с поверхно-стью специальным лаком). Как правило, производится магнитное покрытие обеих сторон (поверхностей) гибкого диска. Затем гибкий диск помещается в пластиковый конверт или в пластмассовый корпус.

Гибкие диски, используемые в настоящее время в IBM PC-совместимых компьютерах, имеют диаметр 3.5 дюйма или 89 мм (ранее использовались так-же диски диаметром 5.25 дюйма или 133 мм). Хотя размеры дискет могут и совпадать, количество хранящейся на них информации, может различаться. Это объясняется тем, что не все магнитные материалы имеют одинаковые парамет-ры. В результате зоны остаточной намагниченности, с помощью которых и представляется записанная на диске информация, могут иметь различные раз-меры. Чем меньше размер такой зоны, тем больше информации удается запи-сать на дискете. Кроме того, дисководы могут различаться характеристиками головки чтения-записи (широкая или узкая), что, в конечном итоге, может при-вести к несовместимости дисков, записанных на различных дисководах. Для ликвидации этой проблемы приходится прибегать к специальным мероприяти-ям [33].

Исторически различают дискеты (и дисководы) обычной, двойной и вы-сокой (учетверенной) плотности записи (обозначаются как SD − Single Density, DD − Double Density и HD − High Density соответственно). В настоящее время используются в основном двусторонние (Double Sided − DS) дискеты высокой

54

плотности (HD), позволяющие хранить до 1.44 Мбайта полезной информации на дискете размером 3.5 дюйма и 1.2 Мбайта на дискете 5.25 дюйма.

Жесткие диски состоят из одной или, что бывает гораздо чаще, несколь-ких алюминиевых (иногда керамических) круглых пластин, смонтированных на оси (шпинделе), вращаемой небольшим электромотором. Обе стороны каждой из пластин покрыты слоем (пленкой) намагничиваемого вещества. У каждой стороны пластины имеется своя головка чтения-записи. Все головки чтения-записи винчестерского диска смонтированы на позиционерах, объединенных в блок, называемый кареткой, и перемещаемый с помощью другого электромото-ра (рис. 3.2).

Угловая скорость вращения пластин жесткого диска очень высока: в пер-вых моделях она составляла около 3600 оборотов/мин., в настоящее время − 5400 оборотов/мин., 7200 оборотов/мин. и более. Для сравнения − скорость вращения гибкого диска составляет всего 300 оборотов/мин.

Электромотор,вращающий осьдискового пакета

Электромотор,позиционирующий

головки чтения-записи

5-я поверхностьдиска

Головкачтения-записи

Каретка0-я поверхностьдиска

Пластиныдисковогопакета

Рис. 3.2 Схематичное изображение устройства винчестерского диска Дисководы управляются с помощью электрических сигналов, поступаю-

щих от контроллера диска, который представляет собой специальную электрон-ную печатную плату, вставляемую в разъем (слот) на материнской плате (в по-следнее время используются материнские платы с интегрированными контрол-лерами дисков). В разъеме плата контроллера диска электрически подсоединя-ется к шине компьютера, по которой ей передаются электрические сигналы от ЦП. Следуя этим сигналам, контроллер управляет обменом данных с диском и позиционированием головок чтения-записи.

Физическая организация данных на диске. Информация, записанная на диске, располагается на концентрических окружностях, называемых дорожка-ми. Перед выполнением операции считывания или записи данных головка чте-ния-записи перемещается (позиционируется) к одной из дорожек диска.

55

Большинство дискет, использующихся в настоящее время, имеют высо-кую плотность записи (HD) и содержат по 80 дорожек. На жестких дисках ко-личество дорожек во много раз больше, поскольку они имеют твердую поверх-ность, покрытую слоем высококачественного намагничивающегося материала, позволяющего плотнее “упаковывать” записываемую информацию, и неболь-шие головки чтения-записи, которые могут управляться с высокой точностью. Так, например, первый жесткий диск емкостью 10 Мбайт, которым оснащались когда-то IBM PC/XT, имел 305 дорожек. В настоящее время жесткие диски, уменьшившись в размерах, увеличили количество дорожек, находящихся на по-верхности их пластин (более 1000).

Современные жесткие диски состоят, как правило, из двух или более пла-стин, образующих так называемый дисковый пакет. Поверхности пластин паке-та нумеруются, начиная с 0. Нумерация дорожек на каждой из поверхностей также начинается с 0 в направлении от внешнего края диска к его центру. Для обозначения всех дорожек с одинаковыми номерами, расположенных на раз-личных поверхностях дискового пакета, используется термин “цилиндр”.

Дорожки обычно разбиваются на более мелкие сегменты, называемые секторами, которые являются основной единицей хранения информации на диске (рис. 3.3). В DOS, исторически первой операционной системе для IBM PC, стандартный размер сектора составляет 512 байт. Количество секторов на дорожке может быть разным и зависит от емкости диска. Для дискет высокой плотности это значение равняется 15 (для размера 5.25 дюйма) или 18 (для раз-мера 3.5 дюйма). Жесткие диски имеют обычно 17 секторов на дорожке.

Решение о разбиении каждой из дорожек диска на одинаковое количество секторов привело к необходимости неравномерной плотности записи информа-ции на диск. Действительно, длина сектора на внутренней дорожке меньше дли-ны сектора на внешней дорожке, а хранить они должны одинаковое количество информации − 512 байт. Чтобы разрешить это противоречие, требуется записы-вать информацию более плотно на внутренних и менее плотно на внешних до-рожках. Технически это возможно, если при записи варьировать мощность маг-нитного поля по мере продвижения головки к центру диска, что позволяет соз-давать зоны остаточной намагниченности меньшего размера, чем у края диска.

Использование секторов дает возможность пользоваться общим методом хранения данных на дисках различной емкости. Секторы на дорожке нумеруют-ся, начинаются с 1. Таким образом, полный номер (адрес) сектора, используе-мый обычно в программах ROM-BIOS (Basic Input Output System − базовая сис-тема ввода-вывода), складывается из номера поверхности (головки чтения-записи), номера дорожки на поверхности и номера сектора на дорожке. Напри-мер, физический адрес 0-0-1 идентифицирует 1-й сектор 0-й дорожки на 0-й по-верхности диска. В сервисных программах DOS используются, как правило, ло-гические номера секторов. Логическая нумерация секторов диска является сквозной и начинается с 0, что соответствует 1-му сектору 0-й дорожки на 0-й

56

поверхности, и заканчивается последним сектором последней дорожки на по-следней поверхности диска.

Сектор

Дорожка

Сектор

СекторСектор

Рис. 3.3 Упрощенная иллюстрация понятий “сектор” и “дорожка”

для магнитного диска

Выполняя запись информации на диск, операционная система оптимизи-рует свою работу следующим образом. Сначала записывается дорожка на 0-й поверхности диска, затем − дорожка с тем же номером на 1-й поверхности и т.д. Этот прием позволяет произвести запись цилиндра без смещения блока головок чтения-записи, а лишь путем их переключения, что позволяет сэкономить вре-мя.

Следует также иметь в виду, что при работе с дисковыми устройствами на уровне ROM-BIOS их принято нумеровать (1, 2, 3 и т.д.), а на уровне операци-онной системы − именовать, используя буквы латинского алфавита и двоеточие (A:, B:, C: и т.д.).

3.5.2 Монитор

Важнейшей частью видеосистемы современного ПК является монитор,

представляющий устройство визуального отображения информации. В настоя-щее время наиболее распространены мониторы на основе ЭЛТ − электронно-лучевой трубки (по англ. CRT − Cathode Ray Tube).

57

ЭЛТ − это стеклянная колба, в горловине которой размещена нак назы-ваемая электронная пушка (для цветного монитора − блок из трех электронных пушек), а широкая часть (основание) имеет изнутри люминафорное покрытие в виде точек или полос. Из колбы откачивается воздух, она заполняется инерт-ным газом под низким давлением и ее горловина (узкий конец) запаивается.

Электроны, испущенные электронной пушкой, разгоняются внутри ЭЛТ и попадают на люминафорное покрытие, вызывая его свечение. Для получения цветного изображения точки или полоски должны трех типов, обеспечивающих получение красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) цвета. Это так назы-ваемые основные цвета (RGB), смешением и изменением интенсивностей кото-рых можно добиться получения других цветов палитры и множества их оттен-ков.

Внутри ЭЛТ имеются так называемые магнитные линзы, фокусирующие испущенные электронные лучи, и, кроме того, перед люминафорным покрыти-ем находится теневая маска − панель из специального сплава (инвара) с регу-лярно расположенными отверстиями или щелями. Это обеспечивает точное схождение электронных лучей в одну точку и способствует получению более четкого изображения на экране.

Расстояние между центрами соседних отверстий или щелей на маске оп-ределяет так называемый шаг маски, измеряемый в миллиметрах. Чем меньше шаг маски, тем более четким получается изображение. В настоящее время ис-пользуются мониторы, у которых шаг маски лежит в диапазоне от 0.21 до 0.28 мм.

Другой важной потребительской характеристикой монитора является час-тота регенерации (обновления) изображения, которую также называют частотой кадровой развертки, или просто частотой кадров. Она измеряется в герцах (Гц) и чем выше ее величина, тем более четким и устойчивым будет изображение. В настоящее время используются мониторы с величиной частоты кадров, лежа-щей в диапазоне от 75 Гц до 100 Гц и выше.

Кроме того, иногда для мониторов приводят такую характеристику, как частота горизонтальной развертки, показывающая с какой частотой электрон-ный луч пробегает горизонтальный ряд точек люминофора. Эта величина изме-ряется в килогерцах (КГц) и для современных мониторов составляет многие де-сятки КГц.

Сегодня все больше персональных компьютеров оснащаются LCD-мониторами (Liquid Crystal Display − жидкокристаллический дисплей). Ранее жидкокристаллические дисплеи использовались в основном в портативных пер-сональных компьютерах − ноутбуках (notebook). Существуют, по меньшей мере, три причины, по которым применение LCD-мониторов становится все шире.

Во-первых, для них характерна высокая четкость изображения, обуслов-ленная тем, что каждый пиксель экрана отображается в отдельной ячейке жид-кокристаллической матрицы, конструктивно отделенной от соседних. В обыч-ных же мониторах, где пиксель формируется из нескольких точек, границы изо-

58

бражения оказываются слегка размытыми, что особенно заметно при работе с контрастными объектами.

Во-вторых, у LCD-мониторов практически отсутствуют вредные для здо-ровья человека излучения. В мониторах с ЭЛТ для формирования изображения используется сфокусированный пучок электронов, направленный из глубины устройства к экрану. Столкновение заряженных частиц с экраном приводит к появлению так называемого тормозного излучения, которое отрицательно воз-действует на здоровье человека и может стать причиной различных заболева-ний. В современных мониторах (Low Radiation) ограничивают мощность пучка электронов и используют специальные защитные покрытия экрана, что позво-ляют уменьшить эту опасность, но не исключить ее вовсе.

В третьих, компактность и больший размер видимой области экрана. Для работы монитора с ЭЛТ требуется, чтобы электронная пушка находилась на оп-ределенном расстоянии от поверхности экрана. Таким образом, уменьшить га-баритные размеры обычных мониторов достаточно сложно (существуют, прав-да, дорогостоящие технологии, позволяющие использовать укороченные ЭЛТ). LCD-монитор в этом отношении намного удобнее, поскольку толщина самой LCD-панели всего 2…3 см, а вместе с корпусом толщина не превышает 10 см. Кроме того, вся поверхность LCD-панели является рабочей, тогда как по краям ЭЛТ имеются неиспользованные участки.

К основным недостаткам LCD-мониторов можно отнести следующие: 1) достаточно высокая цена (как минимум на 250 долларов дороже, чем монитор на основе ЭЛТ с таким же размером экрана);

2) ограничение на выбор разрешения экрана. LCD-панель, содержащая фиксированная число элементов, демонстрирует наивысшее качество в случае, когда используются все эти элементы. Однако при использо-вании графического режима с более низким разрешением ухудшается качество изображения;

3) проблема цветопередачи (точность цветопередачи недостаточна для профессиональной работы с цветными изображениями). Кроме того, функции калибровки цвета у LCD-мониторов ограничены. Поэтому ху-дожники и дизайнеры пока предпочитают использовать высококачест-венные мониторы с ЭЛТ;

4) некоторая инерционность изображения, проявляющаяся при просмотре высококачественных видеозаписей (например, DVD) и отображении динамических объектов в некоторых играх (например, в Quake III).

3.5.3 Клавиатура

Клавиатура − клавишное устройство, подключаемое к ПК и предназна-

ченное для ручного ввода алфавитно-цифровых данных. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя, обеспечи-вающий подачу команд системе и получение отклика на них.

59

Внутри клавиатуры находятся электронные схемы дешифрации и своеоб-разная решетка из проводников, причем места пересечения этих проводников (контактные площадки) расположены непосредственно под клавишами. Всем клавишам клавиатуры присвоены идентификационные номера, при этом любым двум дублирующимся клавишам (например, Shift, Ctrl и Alt) соответствуют раз-личные номера. Нажатие какой-либо клавиши на клавиатуре приводит к замы-канию соответствующих проводников, а отпускание клавиши − к их размыка-нию.

На материнской плате расположен контроллер клавиатуры − 8-разрядный МП Intel 8048 со встроенным ПЗУ емкостью 2 Кбайта, выполняющий специ-альную программу, которая каждые 5 мс (1 мс = 10-3 с) сканирует решетку про-водников с целью обнаружения нажатия или отпускания клавиши. По результа-там сканирования программой формируется так называемый скан-код (scan code) клавиши − целое число в байте, младшие 7 бит которого представляют идентификационный номер клавиши.

Если клавиша нажата, то программа сканирования в дальнейшем игнори-рует ее − вплоть до ее отпускания. В зависимости от типа клавиатуры (XT − 83 клавиши или AT − 101 клавиша) состояния нажатой и затем отпущенной кла-виши представляются по-разному. Для клавиатуры PC/XT нажатая клавиша представляется 1 в старшем бите скан-кода, а отпущенная клавиша − соответст-венно 0. Для клавиатуры PC/AT передача скан-кода отпущенной клавиши пред-варяется посылкой байта, содержащего F0. Если клавиша удерживается в нажа-том состоянии дольше полсекунды, то программа, выполняемая МП 8048, на-чинает вырабатывать соответствующий скан-код 10 раз в секунду.

Передача скан-кода сопровождается генерацией сигнала прерывания от клавиатуры (номер прерывания − 9), что приводит к приостановке текущей ра-боты ЦП и передаче управления драйверу клавиатуры. Драйвер анализирует полученный скан-код и, если он соответствует нажатой клавише, помещает в буфер клавиатуры соответствующий код символа; в противном случае − полу-ченный скан-код игнорируется. В буфере клавиатуры могут храниться до 15 ко-дов символов одновременно, а выбор символов из буфера производится в по-рядке их поступления, т.е. применяется дисциплина обслуживания FIFO (first in, first out − первым вошел, первым вышел). Такой емкости буфера обычно хвата-ет, чтобы своевременно обслуживать ввод с клавиатуры, выполняемый с самой высокой скоростью, которая доступна человеку (около 400 символов/мин.).

Клавиатура относится к стандартным устройствам ПК, поэтому необхо-димое для работы с ней программное обеспечение входит в состав BIOS. Тем не менее, имеется возможность изменить обычный режим работы путем написания собственного драйвера, обрабатывающего прерывания от клавиатуры, загрузки его в память компьютера и занесения адреса в соответствующую запись вектора прерываний. Более подробную информацию о принципах работы клавиатуры IBM PC и ее перепрограммировании можно найти, например, в [34].

60

Клавиатура подключается к компьютеру с помощью специального порта, представленного разъемом на задней стенке системного блока. В настоящее время для подключения клавиатуры все чаще используют компактный разъем типа PS/2. Кроме того, в современных персональных компьютерах клавиатура может подключаться к разъему USB (Universal Serial Bus − универсальная по-следовательная шина).

Стандартная клавиатура современных IBM PC-совместимых компьютеров имеет 101 клавишу и более, функционально распределенные по нескольким группам:

− алфавитно-цифровые клавиши, предназначенные для ввода символь-ной информации. Каждая клавиша этой группы может работать в нескольких режимах (регистрах), обеспечивая ввод строчных и прописных букв английско-го и русского алфавитов, цифр, знаков препинания и т.д. Для разных языков существуют различные схемы закрепления символов национальных алфавитов за конкретными алфавитно-цифровыми клавишами, называемые раскладками клавиатуры. Переключение между раскладками клавиатуры, т.е. с одного алфа-вита на другой, осуществляется программным способом и является одной из функций операционной системы;

− функциональные клавиши (F1−F12), за которыми закреплены функции, обеспечиваемые конкретной операционной системой или работающей приклад-ной программой. Общепринятым соглашением является использование клави-ши F1 для вывода справочной информации по работе с программой;

− служебные клавиши (Alt, Ctrl, Shift Enter, Tab, Backspace, Print Screen, Scroll Lock, Pause/Break);

− клавиши управления курсором (←,↑, ↓, →, Page Up, Page Down, Home, End, Insert, Delete);

− клавиши дополнительной клавиатуры (блок цифровых клавиш, Num Lock, клавиши знаков арифметических операций). Эта клавиатура в сочетании с клавишей Alt может использоваться для ввода символов, отсутствующих на клавиатуре, но для которых известны расширенные коды (например, § − символ “параграф” с кодом 0167 или ° − символ “градус” с кодом 0176).

3.5.4 Мышь

Манипулятор “мышь” выполнен в виде пластмассовой коробочки с двумя

или тремя кнопками. Вместо средней кнопки может быть представлено не-большое колесико для прокрутки (скроллинга) информации в окнах приклад-ных программ (например, в окнах текстового редактора Microsoft Word и элек-тронной таблицы Microsoft Excel).

В конструкции большинства недорогих манипуляторов “мышь”, приме-няемых в настоящее время, используется оптико-механический принцип. Пере-мещение мыши по плоской поверхности синхронизовано с перемещением ука-зателя (курсора) мыши на экране. Ответственность за вид и позиционирование

61

курсора мыши на экране возлагается на специальную системную программу − драйвер мыши.

Отсчет величины перемещения мыши на плоскости задается вращением небольшого, покрытого резиной, металлического шарика, утопленного в “брюшке” мыши. Вращение шарика приводит к повороту двух пластмассовых роликов, закрепленных на взаимно перпендикулярных осях в корпусе мыши. На одном конце каждого из роликов находится небольшой пластмассовый или ме-таллический диск с множеством радиальных прорезей, причем каждый из дис-ков установлен как раз между источником света и фотодетектором (например, фотодиодом или фоторезистором).

Смещение мыши на сотые доли дюйма приводит к повороту осей и, соот-ветственно, дисков, что обеспечивает периодическое прерывание световых лу-чей. Попадание световых импульсов на фотодетекторы приводит к дискретному изменению потенциалов. Этот факт фиксируется электронной схемой в корпусе мыши, которая формирует специальные электрические сигналы и передает их в системный блок.

Хотя мышь была изобретена Дугласом Энджельбертом еще в начале 1960-х годов, она не является стандартным устройством ввода, поэтому ПК не имеет для нее специального порта; обычно мышь подключается к разъему пор-та COM1 (реже − COM2), расположенному на задней стенке системного блока. В современных ПК мышь может быть также подключена к разъему PS/2 или USB. Для обеспечения работы мыши требуется загрузка соответствующего драйвера.

Современный интерфейс “пользователь-компьютер”, реализованный в операционных системах и прикладных программах, основывается на экранном графическом представлении различных информационных объектов и использо-вании мыши в качестве целеуказателя. В этой связи конструкция мыши посто-янно совершенствуется, изменяются принципы ее действия (например, имеются так называемые оптические мыши, использующие отражение луча света от спе-циального коврика с нанесенной на него мелкой координатной сеткой). В на-стоящее время любая программа, претендующая на роль профессионально ис-полненной, должна поддерживать графический интерфейс и манипуляции с мышью.

Вопросы для самопроверки 1. Перечислить основные компоненты типичного микрокомпьютера и нарисо-вать его общую структурную схему. Что выступает в роли интегрирующего звена микрокомпьютера? Почему?

2. Какой компонент микрокомпьютера играет роль внутренних часов микро-процессора? Для чего, собственно, микрокомпьютеру нужны внутренние ча-сы?

3. Для какой цели в микрокомпьютере используются микросхемы ПЗУ? Какие типы ПЗУ известны? В чем их различие?

62

4. В чем выражается и чем обусловлен феномен IBM PC? В чем состоит так на-зываемый принцип “открытой” архитектуры, реализованный в IBM PC?

5. Привести основную хронологию появления базовых моделей IBM PC. Какие микропроцессоры использовались в этих моделях?

6. Перечислить устройства, входящие в состав современного IBM PC-совместимого компьютера. Какие устройства заключены в системный блок компьютера?

7. Перечислить типы шин IBM PC-совместимых компьютеров и их основное назначение. Для какой цели используются локальные шины компьютеров?

8. Кратко описать устройство приводов гибкого и винчестерского дисков. В чем их основное различие?

9. Что входит в состав видеосистемы современного персонального компьюте-ра? Кратко описать основные принципы работы монитора, его технические характеристики.

10. Мышь, так же как и клавиатура, является устройством ввода. В чем, собст-венно, состоит их различие, если не считать разного количества клавиш (кнопок)?

Глава 4

Системное программное обеспечение персонального компьютера

Программное обеспечение − это обобщенное понятие, введенное для обо-

значения множества всех программ, используемых на ЭВМ. Соответствующий англоязычный термин software переводится буквально как “мягкое” обеспече-ние − в противоположность hardware, т.е. “жесткому”, или аппаратному, обес-печению (техническим средствам ЭВМ или, проще говоря, “железу”). Такая терминология призвана указать на принципиальное различие между техниче-скими и программными средствами ЭВМ и отметить универсальный, или адап-тируемый, характер последних. Как отмечалось выше, все программы можно отнести либо к системному, либо к прикладному программному обеспечению. В данной главе рассмотрены вопросы, связанные с использованием общесистемных (операционные системы) и сервисных прикладных программ (утилиты). Наиболее обширный класс про-грамм составляют проблемно-ориентированные прикладные программы (на-пример, системы программирования, управления документооборотом, автома-тизированного проектирования, бухгалтерские программы и т.д.). Некоторые из них рассмотрены в части 2 данного пособия, другие − в курсе “Информацион-ные системы и технологии в экономике”.

4.1 Иерархия программных средств

63

Аналогично тому, как состав технических средств персонального компь-ютера называют аппаратной конфигурацией, состав программных средств на-зывают программной конфигурацией. Между программами, так же как и между физическими узлами и блоками компьютера, имеется тесная взаимосвязь. Она выражается в том, что многие программы, выполняя свою работу, опираются на возможности программ более низкого уровня, т.е. имеет место определенная иерархия программных средств (рис. 4.1).

Технические средства компьютера

ROM-BIOS

Драйверы

Ядро операционной системы

Прикладная программа

Рис. 4.1 Схема взаимодействия прикладной программы с операционной систе-

мой, ROM-BIOS и техническими средствами компьютера

Как правило, прикладная программа напрямую не обращается к техниче-ским средствам компьютера; для этой цели она использует интерфейс приклад-ного программирования, обеспечиваемый операционной системой, которая, в свою очередь, обращается к функциям, реализованным драйверами и BIOS [35]. Однако в ряде случаев разработчики, сообразуясь с требованиями быстродейст-вия программы, предпочитают непосредственную работу с аппаратурой (в MS-DOS таким устройством чаще всего является видеоадаптер).

4.1.1 Базовая система ввода-вывода (ROM-BIOS)

Нижний уровень (слой) программной иерархии, непосредственно приле-гающий к техническим средствам ПК, представлен базовой системой ввода-

64

вывода, записанной в ПЗУ (БСВВ-ПЗУ, ROM-BIOS)21. В состав ROM-BIOS входят следующие типы программ:

− программа самотестирования ПК после включения питания (POST − Power On Self Test);

− программы управления стандартными устройствами ПК: CON − консо-лью (дисплеем и клавиатурой), PRN − построчно-печатающим устрой-ством (принтером), CLOCK$ − системными часами, блочным устройст-вом загрузки (магнитным диском) и некоторыми другими;

− ряд сервисных программ. Программа POST выполняет две основные функции: 1) проверяет наличие

и работоспособность основных устройств ПК; 2) отыскивает на диске, загружа-ет в ОЗУ и передает управление программе загрузки (загрузчику) операционной системы.

Тестирование, выполняемое программой POST, осуществляется по прин-ципу “расширяемого диагностического ядра”, т.е. сначала проверяется работо-способность минимального набора аппаратуры, представляющего так называе-мое ядро: ЦП и его ближайшее “окружение” (вспомогательные микросхемы, ПЗУ, область младших адресов ОЗУ), а затем − остальных компонентов систе-мы (клавиатура, видеоадаптер, контроллер НГМД, ОЗУ в полном объеме). Часть этой проверки программа POST выполняет еще до того как будет ини-циализирована видеосистема компьютера, поэтому об обнаружении неисправ-ностей она оповещает серией звуковых сигналов различной длительности, изда-ваемых динамиком (PC speaker), размещенным в системном блоке. После про-верки видеосистемы программа POST выводит диагностические сообщения на экран монитора.

По окончании тестирования аппаратуры выполняется инициализация таб-лицы векторов прерываний, которая находится в самом начале ОЗУ. Каждая за-пись в таблице представлена вектором прерываний − парой машинных слов, образующих адрес обработчика прерываний22.

Примечание. Поскольку вектор прерываний имеет длину, равную четы-рем байтам, легко определить местоположение вектора прерываний в таблице, зная его номер. Например, вектор прерывания 05h, отвечающего за печать со-держимого экрана, находится в ячейке таблицы со смещением 20 (5 × 4 = 20). Используемый способ хранения адресов обработчиков прерываний позволяет легко перенастраивать их адреса и, таким образом, изменять стандартную обра-ботку прерываний, если это потребуется. Для этого необходимо написать соб-

21 В настоящее время для хранения программ и данных BIOS все чаще используют микро-схемы флэш-памяти (flash memory), представляющие собой разновидность ЭСППЗУ.

22 Некоторые записи в таблице векторов прерываний содержат адреса, ссылающиеся не на обработчики прерываний, а на другие таблицы (структуры), содержащие необходимую информацию. Например, в записи с номером 1Eh содержится адрес таблицы с параметра-ми инициализации дисковода, а в записи с номером 1Fh − адрес таблицы знакогенерато-ра.

65

ственную программу с функциями, отличными от тех, что реализует стандарт-ный обработчик, загрузить ее машинный код в некоторую область ОЗУ, а затем в соответствующей записи таблицы векторов прерываний установить началь-ный адрес этой области.

Заключительной частью процедуры POST является запуск программы на-чальной загрузки (ROM Bootstrap Routine), которая пытается считать в ОЗУ со-держимое сектора с адресом 0-0-1 на устройстве загрузки. Этот сектор называ-ется сектором загрузки (Boot Sector) для дискеты (A:) или главной записью за-грузки (Master Boot Record) для первого винчестерского диска (C:). Сектор за-грузки содержит небольшую (поскольку его размер всего 512 байт) программу − загрузчик ОС − и необходимые для ее работы данные.

Главная запись загрузки винчестерского диска также содержит неболь-шую программу, но ее задачей является не загрузка ОС, а сканирование табли-цы логических разделов диска (Partition Table) с целью отыскания информации об активном разделе, содержащем ОС.

Как минимум двухступенчатая схема загрузки обеспечивает достаточную гибкость системе, позволяя загружать на компьютере различные типы ОС при одной той же ROM-BIOS. Более подробно логическая структура магнитного диска рассмотрена ниже при изложении информации о файловой системе.

Программы, записанные в ROM-BIOS, достаточно эффективно управляют стандартными устройствами ПК. Однако они взаимодействуют с устройствами на низком уровне, выполняя лишь простые операции ввода-вывода (например, записывают данные в сектора на диске, но не могут организовать из них фай-лы). В отличие от них, операционная система обеспечивает возможности более высокого уровня. В частности, воспользовавшись функциями операционной системы можно работать с устройствами и файлами, используя их имена, а не самостоятельно работать с секторами диска, отслеживая их принадлежность тому или иному файлу.

4.1.2 Драйверы устройств ввода-вывода

Драйверы устройств ввода-вывода образуют своеобразную надстройку

над программами (сервисами), записанными в ROM-BIOS. Строго говоря, драйверы устройств являются частью ядра ОС − резидентного, т.е. постоянно находящегося в ОЗУ, набора программных модулей системы. Драйверы обес-печивают стандартный интерфейс ядра ОС с устройствами ввода-вывода, ис-пользуя для этой цели программы ROM-BIOS.

Драйверы устройств выполняют следующие основные функции: − обработка сигнала прерывания; − прием и обработка запроса к устройству; − преобразование запроса в последовательность команд управления уст-ройством.

66

В качестве примера рассмотрим упрощенный процесс записи данных в файл на гибком диске в операционной системе DOS [36]. Программа, желаю-щая выполнить эту операцию, формирует запрос к системе с помощью функции 40h прерывания 21h. DOS преобразует этот запрос в несколько команд драйвера диска (рис. 4.2).

Первая команда направлена на отыскание свободного места на диске, для чего драйверу требуется прочитать специальную структуру, хранящую инфор-мацию о распределении дискового пространства и называемую таблицей раз-мещения файлов (FAT − File Allocation Table). При наличии свободного места на диске DOS дает драйверу вторую команду для записи данных в файл. Затем DOS должна обновить дату и время последнего доступа к файлу, а также длину файла в структуре, называемой каталогом диска, для чего подает драйверу тре-тью команду. Наконец, DOS обновляет содержимое FAT, отмечая в ней запи-санную порцию данных и одновременным связывая ее с начальным содержи-мым файла, для чего драйверу подается четвертая команда.

В свою очередь, драйвер, получив команду от DOS, вызывает соответст-вующие программы ROM-BIOS (на рис. 4.2 этот “слой” не показан), порождая каждый раз с их помощью целый “каскад” низкоуровневых команд управления НГМД [37]. Организация управления устройством на этом уровне чрезвычайно затруднительна, поэтому DOS и, в частности, драйвер диска существенно об-легчают эту задачу.

Рис. 4.2 Упрощенная иллюстрация реализации запроса записи в файл Компания Microsoft, основной поставщик операционных систем для IBM

PC, установила ряд стандартных правил (соглашений), используемых при раз-работке драйверов новых устройств и их включении в состав системы. Эти пра-вила определяют как структуру нового драйвера, так и способ его подключения к уже существующим драйверам системы. В DOS каждый драйвер имеет сле-дующие пять частей:

Программа

INT 21h MS-DOS

Записать данные в конец файла

Драйвер диска

123 4

1. Считать FAT. 2. Записать данные в файл на диск. 3. Обновить запись каталога диска. 4. Обновить FAT.

НГМД

67

− заголовок драйвера, содержащий информацию о самом драйвере и указатель на следующий драйвер в цепочке;

− область памяти для хранения локальных данных и процедур; − процедура стратегии, которая при первом вызове драйвера сохраняет адрес заголовка запроса в области локальных данных;

− процедура прерывания, использующаяся DOS для вызова драйвера и обрабатывающая заголовок запроса, чтобы передать хранящуюся в нем информацию в программы обработки команд;

− программы обработки (обработчики) команд устройства, осуществ-ляющие фактическое управление устройством.

Каждый драйвер содержит имя соответствующего ему устройства, по ко-торому DOS находит нужный ей драйвер среди других установленных драйве-ров, образующих общий связанный список23. Первым в этом списке располага-ется драйвер фиктивного устройства NUL:, содержащий указатель на следую-щий драйвер в списке (устройство CON:), тот, в свою очередь, содержит указа-тель на следующий драйвер (устройство AUX:) и т.д. Указатель последнего драйвера содержит значение –1, означающее конец списка.

Использование динамической структуры данных “связанный список” уп-рощает для DOS выполнение процедур поиска существующего и установки но-вого драйверов. Поиск нужного драйвера всегда начинается с начала списка, при этом проверяется соответствующее драйверу имя устройства. Переход к следующему элементу списка осуществляется по указателю, представляющему фактически адрес следующего элемента. Установка нового драйвера выполня-ется также легко − перенастройкой указателей в соответствующих элементах связанного списка. Столь же просто выполняется и замена существующего драйвера новым − более совершенным; для этого необходимо оборвать “связь” с прежним стандартным драйвером, перенаправив указатель на новый драйвер.

Как отмечалось выше, стандартный драйвер устройства в DOS имеет в своем составе две процедуры: стратегии и прерывания. Они необходимы для реализации двухступенчатой схемы вызова драйвера устройства. Согласно этой схеме, DOS вызывает драйвер дважды. При этом сначала управление передает-ся процедуре стратегии, а затем − процедуре прерывания.

Процедура стратегии осуществляет так называемую инициализацию драй-вера, подготавливая его к вызову процедуры прерывания. В частности, проце-дура стратегии сохраняет адрес заголовка запроса в области локальных данных. Процедура прерывания фактически начинает работу драйвера, извлекая инфор-мацию из сохраненного заголовка запроса и передавая управление соответст-вующему обработчику команд. 23 Связанный список − это динамическая структура данных, в которой каждый элемент со-держит указатель на следующий элемент (т.е. фактически его адрес). Существуют также двусвязные списки, у которых каждый элемент имеет два указателя: на следующий и на предшествующий элементы списка, что позволяет свободно перемещаться по списку в обоих направлениях (в начало и конец списка).

68

Написание драйверов устройств ввода-вывода, наряду с разработкой опе-рационных систем, компиляторов и интерпретаторов языков программирова-ния, составляют предмет системного программирования − одной из интерес-нейших и сложнейших отраслей программирования вообще. К сожалению, рамки данного пособия не позволяют рассмотреть данные вопросы более под-робно.

Ниже кратко описана структура MS-DOS − исторически первой операци-онной системы для IBM PC, имевшей (до появления Windows) чрезвычайно широкое распространение. Достаточно отметить, что DOS доминировала на рынке операционных систем для IBM PC около 15 лет, начиная c 1981 года (версии от MS-DOS 1.0 до MS-DOS 6.22). Кроме того, как справедливо отмеча-ется в [38], знание основ DOS способствует более глубокому пониманию прин-ципов функционирования программного обеспечения последующих поколений.

4.1.3 Структура MS-DOS

Одно из популярных определений операционной системы [38] представ-ляет ее как “сложный комплекс программ, предназначенный для эффективного управления ресурсами компьютера”, где под ресурсами понимаются процессор, оперативная память, устройства ввода-вывода, программы, данные и т.д. Все ресурсы можно классифицировать как: неразделяемые (доступные в каждый момент времени только одной программе или пользователю) и разделяемые (доступные сразу нескольким программам или пользователям).

Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:

− планирование ресурса, т.е. определение кому, когда, а для разделяе-мых (shareable) ресурсов − и в каком количестве необходимо выделить данный ресурс;

− отслеживание состояния ресурса, т.е. обеспечение оперативной ин-формации о том, занят или свободен ресурс, а для разделяемых ресур-сов − какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

Основными составными частями DOS являются [39]: 1. Модуль расширения ROM-BIOS, представленный файлом IO.SYS (MS-

DOS) или IBMBIO.COM (PC-DOS)24. 2. Модуль обработки прерываний, называемый также базовым модулем

DOS и представленный файлом MSDOS.SYS (MS-DOS) или IBMDOS.COM (PC-DOS).

24 На начальном этапе развития MS-DOS имела несколько “клонов”, т.е. операционных сис-тем почти тождественных по структуре и функциям. Среди них наибольшую известность получили системы PC-DOS (первоначально распространялась фирмой IBM по догово-ренности с Microsoft) и DR-DOS (развивалась фирмой Digital Research). Следует отметить, что в основе всех трех систем лежит операционная система DOS, разработанная Тимом Патерсоном в 1980 году.

69

3. Командный процессор или интерпретатор командного языка, пред-ставленный файлом COMMAND.COM.

4. Внешние команды и внешние, или загружаемые, драйверы, представ-ленные файлами с расширением имени .COM, .EXE и .SYS.

Модуль расширения ROM-BIOS

Этот модуль является надстройкой над ROM-BIOS, модифицируя и/или дополняя ее возможности [40]. При загрузке MS-DOS данный модуль позволяет как осуществлять логическую замену драйверов, хранящихся в ROM-BIOS, так и подключать новые драйверы. Необходимость в этих функциях обусловлена довольно частой потребностью в изменении аппаратной конфигурации персо-нального компьютера (например, при подключении нового периферийного уст-ройства) или использовании имеющихся устройств нестандартным образом. Драйверы могут находиться как внутри модуля расширения ROM-BIOS (файл IO.SYS), так и вне его − в отдельных файлах. В первом случае драйверы называются внутренними (основными), а во втором − внешними (устанавливае-мыми). Кроме внутренних драйверов в модуле расширения ROM-BIOS содер-жится ряд системных таблиц и блоков. Внутренние драйверы подключаются автоматически при загрузке MS-DOS, а внешние − по указаниям в файле конфигурации системы CONFIG.SYS. Если файл CONFIG.SYS отсутствует, то никакие внешние драйверы к системе не подключаются, а MS-DOS использует так называемые параметры по умолча-нию.

Модуль обработки прерываний Этот модуль является центральным компонентом MS-DOS, обеспечи-вающим выполнение основных функций операционной системы, связанных с управлением ресурсами компьютера. Управление устройствами ввода-вывода реализовано в данном модуле на уровне организации запросов к драйверам (на рис. 4.2 модуль представлен блоком “MS-DOS”). Именно этот модуль содержит бóльшую часть того, что называется файловой системой MS-DOS (см. ниже). Обращение к функциям данного модуля возможно только через меха-низм прерываний, который использует большинство программ, выполняющих-ся под управлением MS-DOS. Обработку поступивших прерываний осуществ-ляют специальные программы − обработчики прерываний верхнего уровня, ко-торые, в свою очередь, могут генерировать прерывания нижнего уровня, т.е. обращения к функциям ROM-BIOS и модуля расширения ROM-BIOS.

Командный процессор Этот модуль обеспечивает интерфейс, т.е. способ и программные средст-ва взаимодействия пользователя с системой. Пользователь подает MS-DOS ко-

70

манды, вводя их условные обозначения (обычно сокращения английских глаго-лов, определяющих то или иное действие) с клавиатуры, а командный процес-сор их интерпретирует, т.е. выполняет. Помимо этого на заключительном этапе загрузки MS-DOS командный процессор выполняет файл автозапуска AUTO-EXEC.BAT, в котором могут содержаться команды, выполнение которых требу-ется при каждом запуске системы. Командный процессор состоит из двух частей − резидентной и транзит-ной. После загрузки MS-DOS резидентная часть, содержащая обработчики трех важных прерываний (22h−24h) и код подзагрузки транзитной части, постоянно хранится в оперативной памяти компьютера. Обработчики обслуживают сле-дующие особые ситуации [39]:

− завершение задачи, т.е. окончание выполнения прикладной програм-мы;

− прерывание задачи по нажатию пользователем комбинации клавиш Ctrl+Break;

− возникновение “фатальной” (неисправимой) ошибки при выполнении задачи.

Следует отметить, что указанные три прерывания, в отличие от прочих прерываний верхнего уровня, обслуживаемых MS-DOS, могут обрабатываться в самой прикладной программе, которая в соответствующих векторах прерыва-ний устанавливает адреса собственных обработчиков. Транзитная часть командного процессора, находясь в оперативной памя-ти, может перекрываться (т.е. разрушаться) выполняемыми программами, а за-тем восстанавливаться путем считывания с диска. Транзитная часть содержит программный код для исполнения так называемых внутренних команд MS-DOS, а также загрузчик программ в оперативную память для выполнения. Перечень внутренних (встроенных) команд MS-DOS достаточно ограни-чен, так как в нем представлены только самые общие и часто выполняемые ко-манды (COPY, TYPE, DELETE, RENAME, DIR, CHDIR, RMDIR и некоторые другие). В то же время, состав внешних (транзитных) команд не фиксирован, хотя с дистрибутивным (установочным) набором MS-DOS поставляется ограни-ченное число соответствующих файлов. Принятый в MS-DOS подход позволяет рассматривать любую программу, разработанную для выполнения в среде MS-DOS, как внешнюю команду, расширяющую базовый перечень внешних команд для данной версии системы.

Внешние команды и загружаемые драйверы Внешние команды представляются именами программных файлов, кото-рые имеют расширение .COM или .EXE. В качестве примера можно указать следующие внешние команды:

− FDISK − разбиение жестких (физических) дисков на логические диски; − FORMAT − форматирование магнитных дисков;

71

− SCANDISK − проверка состояния магнитных дисков; − XCOPY − расширенное копирование файлов и каталогов. Загружаемые драйверы содержатся в файлах, имеющих расширение .SYS

или .EXE. Для подключения таких драйверов к MS-DOS используются специ-альные команды DEVICE и DEVICEHIGH в файле конфигурации CONFIG.SYS. В качестве примера можно указать следующие загружаемые драйверы:

− ANSI.SYS − управление экраном монитора и переопределение симво-лов, вводимых с клавиатуры, с помощью так называемых Esc-команд;

− DISPLAY.SYS − управление переключением кодовых страниц для мо-нитора;

− EMM386.EXE − эмуляция отображаемой (expanded) и управление верх-ней (high) памятью;

− HIMEN.SYS − управление использованием расширенной (exended) па-мяти.

4.2 Файловая система

Одной из главных задач, решаемых операционной системой, является ор-ганизация хранения информации на внешних запоминающих устройствах (ВЗУ) и обеспечение эффективного доступа к ней со стороны пользователей. Обычно информация хранится на ВЗУ в виде файлов, поэтому совокупность всех фай-лов, программ и системных структур, реализующих способы хранения и меха-низмы доступа к файлам, называется файловой системой. Основные функции, выполняемые файловой системой, можно условно разделить на следующие две группы:

− функции для работы с файлами (создание, удаление, изменение атрибу-тов, определение структуры файлов и т.д.);

− функции для работы с данными, хранящимися в файлах (чтение, за-пись, поиск и т.д.).

С точки зрения логической организации файловую систему можно разде-лить на следующие составные части:

− файлы, хранящиеся на устройствах ввода-вывода; − структура файлов; − функции для работы с файлами и их структурой. Операционная система MS-DOS поддерживает диски различных типов.

Это стало возможным благодаря тому, что информация, необходимая для рабо-ты с диском (например, его объем) сохраняется на самом диске в специальной области, определенной MS-DOS.

Для управления файлами и распределением дискового пространства на каждом диске должна храниться дополнительная информация (например, объ-ем использованного пространства и имена сохраняемых файлов). Эта информа-ция “прозрачна”, т.е. невидима для обычного пользователя, но обязательно имеется на каждом диске.

72

Информация размещается на диске в определенной последовательности, поэтому все диски MS-DOS имеют сходную структуру. Это позволяет MS-DOS получать информацию о типе диска, способе выделения дискового пространст-ва, т.е. о размере кластера диска (см. ниже), а также о хранящихся на диске файлах.

Логическая организация дискеты и жесткого диска несколько различают-ся. Ниже рассматривается организация дискеты, которая во многом соответст-вует структуре раздела жесткого диска, а затем более подробно − организация жесткого диска в целом.

4.2.1 Логическая организация дискеты

Дискета, подготовленная к работе с помощью команды FORMAT и назы-

ваемая, соответственно, отформатированной, включает четыре области. Первая область называется блоком начальной загрузки (БНЗ), который иногда называ-ют записью загрузки (Boot Record).

Вторая область включает таблицу размещения файлов (FAT), описываю-щую использование дискового пространства. Как правило, FAT хранится на дискете в двух экземплярах (копиях).

Далее следует область корневого каталога (Root Directory), в которой хра-нится информация о файлах и подкаталогах, перечисленных в корневом катало-ге (эта информация включает имя файла и его расширение, атрибуты файла, номер начального кластера файла, дату и время создания или последнего об-новления файла, размер файла с точностью до байта).

Последней является область данных, в которой хранятся записанные на дискету файлы. Взаимное расположение перечисленных выше областей диске-ты показано на рис. 4.3.

Корневой

каталог Область данных пользователя

Первая и вторая копии FAT

Блок начальной загрузки

Рис. 4.3 Взаимное расположение четырех областей на дискете,

отформатированной стандартным образом

73

4.2.2 Понятие кластера

Информация записывается на диск и считывается с диска секторами. Ра-

бота с диском на основе секторов в ряде случаев может оказаться неэффектив-ной. Например, жесткий диск объемом 10 Мбайт содержит более 20000 секто-ров, и хранение информации о размещении каждого из них потребует очень большой таблицы размещения файлов (FAT). Поиск внутри такой таблицы бу-дет относительно медленным. Поиск в FAT меньшего размера осуществляется быстрее, вследствие чего сокращается общее время обращения к файлу. Поэто-му более эффективным является объединение нескольких смежных секторов в группу, называемую кластером (cluster), и выделение целого кластера, если по-требуется дополнительное дисковое пространство для файла. Использование кластеров позволяет сэкономить дисковое пространство, выделяемое для FAT.

Таким образом, кластеры обеспечивают более высокий уровень организа-ции диска и ускоряют доступ к информации, хранящейся на нем. Количество секторов в кластере зависит от типа (точнее − размера) диска (см. табл. 4.1) и устанавливается при форматировании диска с помощью команды FORMAT (данная команда реализуется утилитой FORMAT.COM).

Таблица 4.1 Зависимость размера кластера от емкости диска Тип диска Количество секторов в кластере

Дискета 5,25” (1,2 Мбайта) 1 Дискета 3,5” (1,44 Мбайта) 1 Жесткий диск (32 Мбайта) 1 Жесткий диск (64 Мбайта) 2 Жесткий диск (128 Mбайт) 4 Жесткий диск (256 Mбайт) 8 Жесткий диск (512 Mбайт) 16 Жесткий диск (1024 Mбайта) 32

4.2.3 Блок начальной загрузки (БНЗ)

БНЗ всегда хранится в 1-м секторе 0-й дорожки на 0-й поверхности диске-

ты. Его логически можно разделить на четыре части. Первая часть (3 байта) БНЗ содержит код команды JMP, обеспечивающей безусловный переход к про-грамме начальной загрузки.

Вторая часть (8 байтов) БНЗ содержит идентификатор фирмы-изготовителя DOS и версию системы (например, MSDOS5.0 − MS-DOS версии 5.0 фирмы Microsoft, IBM 3.1− PC-DOS версии 3.1 фирмы IBM и т.д.).

Третья часть (19 или 25 байтов) БНЗ представлена блоком параметров BIOS (BIOS Parameter Block − BPB), который является таблицей специальных параметров диска, используемой DOS при определении емкости диска, а также

74

относительного расположения таких системных областей, как FAT и корневой каталог диска.

Четвертая часть (482 байта или 476 байтов) БНЗ содержит короткую про-грамму начальной загрузки системных файлов MS-DOS (IO.SYS и MSDOS.SYS) в оперативную память компьютера.

БНЗ всегда записывается на дискету при её форматировании − независи-мо от того, является дискета системной (загрузочной) или нет. Системная дис-кета предназначена для начальной загрузки операционной системы на компью-тере и создается, как правило, с помощью команды FORMAT, указанной с клю-чом /S, приводящим к переносу на дискету следующих системных файлов: IO.SYS, MSDOS.SYS и COMMAND.COM.

4.2.4. Таблица размещения файлов (FAT)

FAT − это область диска, в которой хранится информация об использова-

нии дискового пространства. В FAT содержатся сведения о всех кластерах дис-ка: свободных (пригодных для хранения файлов), занятых (используемых неко-торым дисковым файлом) или помеченных как дефектные (неспособных на-дежно хранить записанную в них информацию вследствие локальных дефектов магнитной поверхности диска).

Для хранения информации о каждом кластере диска в FAT используется элемент, или запись. Для всех дискет и жестких дисков, емкость которых не превышает 10 Mбайт, элемент FAT имеет длину 12 бит (на саму FAT в этом случае ссылаются как на FAT-12). Для дисков с объемом, превышающим 10 Mбайт, элемент FAT имеет длину 16 бит (FAT-16).

Каждому кластеру диска соответствует элемент в FAT. При этом следует иметь в виду, что в FAT записывается информация только о файловом про-странстве диска; в ней не представлены кластеры, отведенные под БНЗ, обе ко-пии FAT и корневой каталог. Доступное пространство в области данных диска начинается с кластера, которому присваивается номер 2. Причина этого кроется в том, что элементы FAT с номерами 0 и 1 резервируются для хранения деск-риптора носителя − кода, характеризующего тип диска.

При создании файла DOS выделяет ему первый доступный кластер диска. При этом в FAT делается пометка об использовании этого кластера. Наоборот, при уничтожении файла кластеры, в которых размещались данные, должны быть отмечены в FAT как свободные.

По мере увеличения длины файла DOS выделяет дисковое пространство кластерами и помечает это в FAT. Список кластеров, образующих дисковое пространство, относящееся к файлу, называется цепочкой кластеров. Значения, которые могут быть занесены в элементы FAT, приведены в табл. 4.2.

75

Таблица 4.2 Возможные значения элементов FAT

FAT-12 FAT-16 Описание кластера 000h 0000h Кластер свободен 001h … FEFh 0001h … FFEFh Кластер используется FF0h … FF6h FFF0h … FFF6h Кластер зарезервирован FF7h FFF7h Дефектный кластер FF8h … FFFh FFF8h … FFFFh Конец цепочки кластеров Если файл достаточно большой, т.е. занимает более одного кластера на

диске, DOS заносит номер первого (начального) кластера файла в соответст-вующее поле записи каталога, номер второго кластера − в элемент FAT, соот-ветствующий первому кластеру файла, номер третьего кластера − в элемент FAT, соответствующий второму кластеру, и т.д. В элемент FAT, соответствую-щий последнему кластеру файла, заносится код, указывающий на конец цепоч-ки кластеров, относящихся к файлу.

Рис. 4.4 иллюстрирует формирование цепочки из трех кластеров (с номе-рами 4, 5 и 6) для небольшого файла Myfile.txt, содержащегося в корневом ката-логе диска. Начальное “звено” цепочки, т.е. номер начального кластера файла, указано в 2-байтовом поле 32-байтовой записи каталога. Остальные “звенья” можно получить, если воспользоваться каждым номером, записанным в соот-ветствующем элементе FAT, как указателем на следующий элемент FAT (и на кластер файла соответственно). Последнее “звено” в цепочке кластеров, отно-сящихся к файлу, помечается в FAT кодом FFFh.

Приведенные выше рассуждения позволяют сделать вывод о большой важности информации, содержащейся в FAT. Действительно, если эта инфор-мация будет утрачена или хотя бы частично искажена, то доступ ко всем фай-лам или к части файлов на диске станет невозможным, хотя содержимое самих файлов будет в “полном порядке”. Это обусловлено тем, что для файлов, запи-санных в каталогах диска, не удастся сформировать соответствующие цепочки кластеров из-за несоответствия указателей, содержащихся в искаженных эле-ментах FAT.

В силу важности хранимой в FAT информации, DOS использует две ко-пии этой таблицы. Первая копия FAT используется в работе DOS, а вторая слу-жит для страховки на случай порчи первой копии. Однако, следует отметить, что в самой DOS отсутствуют средства для проверки идентичности копий FAT и восстановления искаженной первой копии по имеющейся на диске второй ко-пии. Эта операция может быть выполнена с помощью любого из имеющихся инструментальных пакетов программ обслуживания (утилит) диска (например, Norton Utilities).

76

Первая и вторая копии FAT

Блок начальной загрузки

Корневой каталог

Кластер №7 Кластер №6 Кластер №5 Кластер №4

Кластер №3

Кластер №2

005 006 FFF . . .

Myfile txt . . . 004

FAT

Запись каталога

7 6 5 8 4 3 2 1 0 N-1 N-2 N-3 . . .

Рис. 4.4 Цепочка кластеров, относящихся к файлу Myfile.txt

4.2.5 Корневой каталог Область корневого каталога диска располагается непосредственно за об-

ластью второй копии FAT. Корневой каталог содержит имена дисковых файлов и имена подкаталогов, записанных в нем, и, возможно, имя метки тома. Коли-чество секторов, занимаемых корневым каталогом, определяется количеством входящих в каталог записей. Каждая запись каталога включает 32 байта и, та-ким образом, 512-байтовый сектор может содержать 16 записей. Количество за-нимаемых корневым каталогом секторов равно числу записей каталога, делен-ному на 16. Таким образом, количество записей в корневом каталоге (и соответ-ственно количество файлов, которое можно поместить в корневой каталог) за-висит от типа диска, как показано в табл. 4.3.

Таблица 4.3 Зависимость количества записей корневого каталога от типа диска Кол-во записей Кол-во секторов Тип диска

64 4 Дискеты SS/DD 112 7 Дискеты DS/DD 224 14 Дискеты DS/HD 512 32 Жесткие диски

77

В табл. 4.4 кратко описана структура записи каталога, т.е. перечислены все ее поля и указаны их размеры. Более подробное описание каждого поля за-писи каталога приведено ниже.

Таблица 4.4 Структура записи каталога

Смещение от начала Размер (в байтах) Описание 0 8 Имя файла 8 3 Расширение имени файла 11 1 Атрибуты файла 12 10 Зарезервировано 22 2 Время создания файла 24 2 Дата создания файла 26 2 Номер первого кластера 28 4 Длина файла (в байтах)

Имя файла. В этом поле содержится имя файла, длина которого не пре-

вышает 8 байт (символов), выровненное по левому краю. Это означает, что если длина имени оказывается меньше 8 байт, то оставшиеся справа незанятые бай-ты заполняются символами пробела. При удалении файла содержимое первого байта имени файла заменяется значением E5h. Таким способом DOS помечает запись каталога, которую можно использовать заново. Первый байт поля имени файла в ранее неиспользовавшейся записи каталога содержит значение 00h.

Расширение имени (тип) файла. В этом поле содержится расширение имени файла (если оно, конечно, было указано для файла). Длина расширения имени не должна превышать 3 символов, а само расширение выравнивается слева, т.е. незанятые справа байты заполняются символами пробела.

Атрибуты файла. В данном однобайтовом поле представлены биты, обозначающие различные атрибуты (характеристики, свойства) файла: обычный файл, предназначенный для чтения-записи, или файл только для чтения, скры-тый файл, системный файл и т.д. Возможные значения для байта атрибутов файла приведены в табл. 4.5.

Таблица 4.5 Атрибуты файла

Значение Описание 00h Обычный файл (для чтения-записи) 01h Файл только для чтения 02h Скрытый файл 04h Системный файл 08h Метка тома 10h Подкаталог 20h Необходимо архивирование

78

Установка атрибута “файл только для чтения” защищает файл от внесе-ния изменений в файл при вызове стандартных функций DOS, выполняющих запись в файл. Установка атрибута “скрытый файл” означает, что данная запись каталога не будет отображена в листинге каталога, полученном с помощью ко-манды DIR. С помощью атрибута “системный файл” помечаются два систем-ных файла MS-DOS (IO.SYS и MSDOS.SYS), расположенных на системном диске. Эти два файла загружаются в память компьютера в ходе начальной за-грузки MS-DOS. Атрибут “метка тома” указывает, что данная запись каталога в полях “Имя файла” и “Расширение имени файла” содержит метку тома. Уста-новка атрибута “подкаталог” означает, что данная запись описывает не обыч-ный дисковый файл, а файл подкаталога. Атрибут “необходимо архивирование” используется утилитой резервного копирования файлов BACKUP.COM, как ин-дикатор того, что с данного файла необходимо снять резервную копию. После создания резервной копии файла этот бит сбрасывается (очищается).

Время создания или последнего обновления файла. В это поле заносится значение времени в специальном (системном) формате на момент создания файла. Это относится также к таким элементам корневого каталога, как подка-талоги и метка тома. При обновлении файла в данное поле заносится время его модификации. Следует отметить, что к записям, представляющим подкаталоги, это не относится, т.е. изменение содержимого подкаталога никак не отражается на значении поля “Время создания файла”.

Значение времени представляется в специальном формате (чччччммммммссссс, где ч, м и с − обозначение битов, представляющих часы, минуты и секунды соответственно) и может рассматриваться как целое без зна-ка, хранящееся в слове (2 байта). Это представление позволяет легко сравнивать его с аналогичными значениями, записанными в других записях каталогов.

Значение времени, хранящееся в слове, рассчитывается по следующей формуле:

Время = (Часы × 2048) + (Минуты × 32) + (Секунды + 2), где Часы − 0 ÷ 23; Минуты − 0 ÷ 59; Секунды − 0 ÷ 29 (для хранения всех секунд не хватает 1 бита, поэтому отсчет секунд производится “единицами”, равными 2 секундам). Таким образом, время 11:32:10 будет представлено значением 5C05h (или 2355710).

Дата создания или последнего обновления файла. В это поле заносится значение даты (число, месяц и год) в специальном (системном) формате на мо-мент создания файла. Это относится так же к таким элементам корневого ката-лога, как подкаталоги и метка тома. При обновлении файла в данное поле зано-сится дата его модификации. Следует отметить, что к записям, представляю-щим подкаталоги, это не относится, т.е. изменение содержимого подкаталога никак не отражается на значении поля даты.

Значение даты представляется в специальном формате (гггггггммммччччч, где г, м и ч − обозначение битов, представляющих год, месяц и число соответ-ственно) и может рассматриваться как целое без знака, хранящееся в слове (2

79

байта). Это представление позволяет легко сравнивать его с аналогичными зна-чениями, записанными в других записях каталогов.

Значение даты, хранящееся в слове, рассчитывается по следующей фор-муле:

Дата = ((Год - 1980) × 512) + (Месяц × 32) + Число, где Год − 0 ÷ 127; Месяц − 0 ÷ 15; Число − 0 ÷ 31.

Подобная схема хранения даты позволяет использовать для “года” значе-ния вплоть до 2107. Однако максимальное значение года, поддерживаемое MS-DOS, равняется 2099.

Номер начального кластера. В этом поле содержится номер начального (первого) кластера, выделенного для файла. Этот номер играет также роль ука-зателя на начало области, предоставленной файлу в FAT.

Размер файла. В этом поле содержится значение размера файла в байтах. В двойном (длинном) слове можно хранить 32-разрядное значение, которое на-много превышает максимально допустимый размер файла в DOS (32 Мбайта).

4.2.6 Логическая организация жесткого диска

В MS-DOS, начиная с версии 2.0, появилась возможность использовать

жесткие (винчестерские) диски. При этом MS-DOS позволяет разбить жесткий диск на несколько (от 1 до 4) логических дисков, называемых также разделами (partitions) жесткого диска. Затем каждый раздел можно отформатировать так, чтобы использовать MS-DOS или другую операционную систему (например, Windows, Unix или Novell NetWare). Разбиение жесткого диска на разделы обеспечивает также удобство управления диском большого объема нескольки-ми пользователями (для каждого пользователя может быть предоставлен собст-венный раздел).

Для подготовки жесткого диска к работе в MS-DOS имеется специальная программа FDISK (сокращение от Fixed Disk − фиксированный, т.е. несъёмный, или винчестерский диск), обеспечивающая выполнение следующих четырех функций: создание раздела, активизацию раздела, уничтожение раздела и про-смотр информации о разделах диска. Более подробную информацию о работе с программой FDISK можно получить в [41].

Разделы начинаются на границе цилиндра. При определении раздела его начало и конец определяются номерами цилиндров. Таким образом, раздел на-чинается на 0-й поверхности в 1-ом секторе начального цилиндра раздела. Так как на всех поверхностях диска дорожки нумеруются одинаково, в состав раз-дела будет входить набор дорожек, соответствующих всем поверхностям. На-пример, если диск содержит 4 рабочих поверхности (с 0-й по 3-ю) и раздел на-чинается с цилиндра 200 и заканчивается цилиндром 300, то этот раздел будет содержать все четыре набора дорожек с номерами от 200 до 300, соответст-вующие четырем поверхностям диска.

80

Первый сектор жесткого диска, называемый главной записью загрузки (Master Boot Record − MBR), содержит информацию о разделах диска и про-грамму, определяющую активный раздел диска и выполняющую загрузку БНЗ в память компьютера. Сами разделы располагаются за ним, как показано на рис. 4.5 (для простоты изображена только 0-я поверхность диска).

Главная записьзагрузки Блок начальной загрузки

Раздел 1

Раздел 3

Раздел 2

Рис. 4.5 Взаимное расположение разделов на жестком диске

Таблица разделов включает четыре 16-байтовых записи, каждая из кото-

рых содержит информацию об отдельном разделе. Структура записи таблицы разделов жесткого диска представлена в табл. 4.6. Ниже каждое поле этой запи-си описано более подробно.

Таблица 4.6 Структура записи таблицы разделов жесткого диска

Смещение от начала

Размер (в байтах)

Описание поля

0 1 Индикатор активного раздела 1 1 Номер начальной головки (поверхности) 2 1 Номер начального сектора 3 1 Номер начального цилиндра 4 1 Индикатор операционной системы 5 1 Номер конечной головки (поверхности) 6 1 Номер конечного сектора 7 1 Номер конечного цилиндра 8 4 Относительный сектор (от начала диска)

12 4 Размер раздела (в секторах)

Индикатор активного раздела. Это поле показывает, активен ли данный раздел или нет. Если в поле находится значение 80h, то определяемый данной записью раздел активен, т.е. он содержит (или будет содержать) операционную систему, загружаемую в память при включении компьютера. В любой момент времени только один раздел может быть активным и, таким образом, если для данного раздела FDISK заносит в это поле значение 80h, то в соответствующие поля для остальных разделов заносится значение 00h.

81

Номера начальных головки (поверхности), сектора и цилиндра. Значе-ния для данных полей записи таблицы разделов определяются автоматически утилитой FDISK, исходя из размера диска и заданного пользователем размера раздела.

Индикатор операционной системы. В этом поле содержится значение, показывающее, какой операционной системе принадлежит раздел: 00h − неис-пользуемый раздел, 01h − DOS или OS/2 с FAT-12, 02h − CP/M, 03h − XENIX (ОС Unix для IBM PC-совместимого компьютера), 04h − DOS или OS/2 с FAT-16, 05h − расширенный раздел DOS или OS/2, 06h − “большой” раздел DOS 4.00 или OS/2 1.10 (свыше 32 Mбайт), 07h − раздел файловой системы HPFS (High Per-fomance File System − файловая система высокой производительности) OS/2 и т.д.

Номера конечных головки (поверхности), сектора и цилиндра. Значе-ния для данных полей записи таблицы разделов определяются автоматически утилитой FDISK, исходя из размера диска и заданного пользователем размера раздела.

Относительный сектор. В данном поле (двойное слово) содержится ко-личество секторов от начала диска до начала раздела. Для любого раздела зна-чение этого поля определяется суммой общего дискового пространства всех предыдущих разделов плюс 1 (для учета сектора с MBR). Эта величина также называется числом скрытых секторов для данного раздела.

Размер раздела. В данном поле (двойное слово) содержится значение, которое определяет размер раздела (в секторах) и включает размеры блока на-чальной загрузки, двух копий FAT, корневого каталога и области данных поль-зователя.

В MS-DOS версии 3.3 были преодолены ранее принятые ограничения на размер раздела (предел в 32 Мбайта, определенный в BPB) и использование только одного раздела под DOS. Это стало возможным благодаря тому, что утилита FDISK позволила создавать в расширенном разделе несколько логиче-ских дисков, используемых под DOS.

Как показано на рис. 4.6, первый элемент таблицы разделов, размещенной в MBR, ссылается на основной, или первичный (primary) раздел диска (С:). Вто-рой элемент таблицы разделов, который ранее использовался для создания “по-стороннего” раздела (для операционной системы, отличной от DOS), теперь ис-пользуется для определения расширенного (extended), или вторичного, раздела DOS. В байте индикатора операционной системы этого элемента содержится значение 05h. Этот второй элемент содержит указатель на первый логический диск (том) расширенного раздела (D:), в первом секторе которого находится так называемая расширенная запись загрузки (Extended Boot Record), аналогичная главной записи загрузки (MBR). Однако, в отличие от последней, в расширен-ной записи таблицы разделов отсутствует перечень разделов диска, а лишь оп-ределяется начало и конец логического диска (1-й элемент) и содержится указа-тель на следующий логический диск (2-й элемент) расширенного раздела. Для

82

следующего логического диска (E:), если он создан, описанная выше “картина” повторяется и т.д.

Описанный выше способ создания логического диска позволяет легко ос-вободить (удалить) какой-либо логический диск. Для этого достаточно в соот-ветствующем элементе таблицы разделов предыдущего логического диска об-нулить “указатель” на него.

С точки зрения пользователя, каждый логический диск (или том) пред-ставляет собой независимый диск со своими системными областями, создавае-мыми в ходе высокоуровневого форматирования логического диска, выполняе-мого с помощью утилиты FORMAT, и своим собственным “деревом” каталогов, создаваемым в ходе работы с диском. Таким образом, каждый логический диск обеспечивает еще один (дополнительный) уровень организации информации, хранящейся на винчестерском диске IBM PC-совместимого компьютера. Более подробно логическая организация хранения информации в MS-DOS рассмотре-на ниже.

C:

E:

D:

Таблица логи-ческих дисков

Таблица логи-ческих дисков

Таблица раз-делов диска

Рис. 4.6 Расположение разделов на жестком диске

4.3 Организация хранения информации в MS-DOS

Ниже приведены три основные понятия файловой системы − файл, ката-

лог и диск, которые позволяют понять логический способ организации хране-ния информации в компьютере, реализованный в MS-DOS25. Кроме того, рас-смотрены сопутствующие им понятия, терминология и некоторые примеры.

25 Идентичные или, по крайней мере, аналогичные понятия используются и в других опера-ционных системах.

83

4.3.1 Файлы

С точки зрения конечного пользователя (end user), файл − это основная единица хранения информации в компьютере. Реализуются файлы как участки памяти на внешних носителях информации − гибких и жестких магнитных дис-ках, магнитных лентах, CD-ROM и других.

Введение и использование такого понятия как файл, позволяет MS-DOS отделить одну совокупность информации от прочих, которые могут одновре-менно храниться на одном и том же носителе информации. Например, если для ввода текста письма используется специальная программа, называемая редакто-ром текстов, то по окончании работы это письмо будет сохранено на диске в отдельном файле. И этот файл будет всего лишь одним среди сотен или даже тысяч файлов, хранящихся на диске компьютера.

Каждый файл имеет имя и доступ к информации, хранящейся в файле, с помощью той или иной программы (например, уже упоминавшегося редактора текстов) осуществляется по этому имени. Именно поэтому часто файл опреде-ляют как поименованный набор информации, хранящийся на диске или другом машинном носителе [42].

Операционная система MS-DOS предъявляет определенные требования к именам файлам, а именно:

− имя не должно содержать более восьми символов. В дополнение к имени файла может быть указано расширение имени, содержащее не более трех символов и отделяемое от имени точкой;

− регистр, на котором был выполнен набор имени, значения не имеет. Другими словами, независимо от того, какие буквы − прописные (заглавные) или строчные (малые) − использовались при вводе, имя будет рассматриваться как состоящее только из прописных букв;

− допускается использование в имени букв латинского алфавита от A до Z, арабских цифр от 0 до 9, специальных символов: символ подчеркивания (_), “крышка” или циркумфлекс (^), знак доллара ($), тильда (~), восклицательный знак (!), знак номера (#), знак процента (%), амперсенд (&), дефис (-), фигурные скобки ({}), эт коммерческое (@), одиночная кавычка или апостроф (‘) и круг-лые скобки (). Никакие другие символы (в том числе и буквы русского алфави-та) не допускаются;

− имя не должно содержать пробелов, запятых, символов “обратный слэш”, или “обратная дробная черта” (\), точек (за исключением точки, отде-ляющей имя от его расширения).

При выборе имени файла рекомендуется помнить о смысловой нагрузке, которое должно нести это имя. В этой связи следует заметить, что первое из пе-речисленных выше требований, касающееся максимальной длины имени файла, является существенным ограничением MS-DOS. Действительно, не всегда уда-ется придумать такое удачное имя для файла, чтобы оно одновременно объяс-няло суть информации, содержащейся в файле, и было кратким. По этой причи-

84

не введение в операционной системе Windows 95 длинных имен файлов (до 255 символов включительно) и возможность использования в них национальных алфавитов (в частности, русского) рассматривается как серьезное достижение. В качестве примеров возможных имен файлов можно привести следующие:

README.DOC README.TXT READ.ME

Очень часто подобные имена даются тексто-вым файлам, сопровождающим те или иные программы и содержащим инструкции по ис-пользованию этих программ. Буквально эти имена переводятся как “прочти меня” и сразу привлекают внимание пользователя.

N!.PAS Это имя можно использовать для файла, со-держащего исходную программу на языке Паскаль для вычисления факториала числа.

N!.EXE Файл с таким именем автоматически создает-ся компилятором языка Паскаль при компи-лировании файла исходной программы N!.PAS.

Источники возникновения файлов, находящихся на дисках компьютера, различны. Некоторые файлы поступают вместе с MS-DOS (так, например, большая часть самой MS-DOS представлена в виде файлов), другие поставля-ются вместе с пакетами прикладных программ (приложениями), третьи созда-ются пользователями, которые используют те или иные приложения, и т.д. На-личие большого количества файлов в компьютере создает определенные слож-ности при поиске того или иного файла. В этой связи, а также в силу некото-рых других причин, о которых будет сказано ниже, логически правомерным яв-ляется введение такого понятия как каталог.

4.3.2 Каталоги

Каждый файл, хранящийся на диске, регистрируется в том или ином ка-

талоге, который выступает в качестве оглавления (перечня) файлов. Регистра-ция файла в каталоге обычно называется записью в каталог. Запись групп фай-лов в различные каталоги значительно облегчает поиск файлов. Например, все файлы, которые поставляются с MS-DOS, хранятся в одном каталоге, обычно называемом DOS. Таким образом, если потребуется найти какой-либо из фай-лов MS-DOS, не нужно “переворачивать вверх дном” весь диск, достаточно просмотреть каталог DOS. Подобно файлам, каталоги могут создаваться поль-зователем или приложением (например, программой установки данного прило-жения на диск).

Примечание. Фразы типа “записать файл X в каталог Y” или “файл X со-держится в каталоге Y” иногда приводят к ошибочному представлению, что ка-

85

талог − это некоторая обособленная область на диске, в которую как раз и по-мещаются файлы. Следует помнить, что каталоги − это всего лишь перечни файлов и что все каталоги, за исключением корневого, сами организованы в ви-де файлов.

Каждый файл может находиться только в одном каталоге. Если какие-то файлы, содержатся в различных каталогах, но имеют одинаковые имена, то ли-бо это разные копии одного и того же файла, т.е. они представлены различны-ми областями на диске, либо это вообще разные по содержанию файлы.

Все каталоги, за исключением корневого, имеют имена. Расширение для имени каталога обычно не используется. Правила по наименованию каталогов аналогичны тем, что используются для имен файлов. Поскольку в различных каталогах могут находиться файлы с одинаковыми именами, для идентифика-ции конкретного файла требуется указывать и имя каталога, в котором записан этот файл. Это не очень удобно, если учесть, что каталоги в MS-DOS имеют ие-рархическую структуру, т.е. могут быть вложены друг в друга. В этой связи, весьма кстати оказывается понятие текущего каталога, подразумевающее ка-талог, с которым пользователь работает в настоящий момент и для которого не нужно указывать имя всякий раз, когда выполняются операции с содержащими-ся в нем файлами. Имя текущего каталога обычно (но не всегда) отображается в командной подсказке MS-DOS (например, командная подсказка C:\DOS> озна-чает, что текущим каталогом является каталог DOS).

Как отмечалось выше, одни каталоги могут содержаться в других катало-гах. Другими словами, поскольку любой каталог, за исключением корневого, является файлом, то он, с одной стороны, может содержать информацию о дру-гих каталогах-файлах и, с другой стороны, информация об этом каталоге-файле может быть записана в другом каталоге. Каталог, который содержится внутри другого каталога, называется подкаталогом. Каталог, в котором находится не-который подкаталог, является родительским каталогом по отношению к дан-ному подкаталогу. Создание подкаталогов позволяет лучше структурировать хранение информации в компьютере.

Если быть точным, то все каталоги являются подкаталогами, за исключе-нием одного, называемого корневым каталогом (см. п.4.2.5). Обычно термин ”подкаталог” используют, чтобы показать отношения между двумя каталогами. Корневой каталог является отправной точкой, из которой переходят во все ос-тальные каталоги. Корневой каталог не имеет имени, он представляется симво-лом “обратный слэш” (\). Например, если текущим каталогом является корне-вой каталог, то стандартная командная подсказка MS-DOS имеет следующий вид: C:\>

Поскольку корневой каталог является базой для создания всех других ка-талогов, его нельзя удалить. Однако информация, хранящаяся в нем, может быть уничтожена. Количество файлов и каталогов, которые могут храниться в корневом каталоге, ограничено и зависит от емкости носителя. Это одна из ос-новных причин, по которой в MS-DOS была введена и используется иерархиче-

86

ская структура каталогов, позволяющая если не “снять” совсем, то уменьшить влияние этого ограничения.

4.3.3 Диски

Диски обычно ассоциируются с частью аппаратуры компьютера, которая

называется накопителями информации на магнитных дисках (НМД), или просто магнитными дисками. Наиболее часто встречающимися типами НМД являются накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), называемые также винче-стерскими дисками, и накопители на гибких магнитных дисках (НГМД).

В MS-DOS различают физические и логические диски. Логические диски, а именно с ними “общается” обычный пользователь в MS-DOS, имеют однобу-квенные имена, заканчивающиеся двоеточием (например, A: − первый НГМД, B: − второй НГМД (если он есть в компьютере), C: − НЖМД или часть его но-сителя, называемая логическим диском, и т.д.). Физические диски нумеруются (их номера обычно использует программист, реализующий в своей программе информационный обмен с диском на уровне физических секторов).

Один физический жесткий диск большого объема может быть разбит на несколько логических дисков меньшего размера. При этом у пользователя соз-дается “ощущение”, что он работает со множеством независимых дисков.

По аналогии с текущим каталогом вводится понятие текущего диска, т.е. диска, с которым в данный момент работает пользователь, и в операциях, с ко-торым не нужно указывать его имя. Имя текущего диска так же, как и имя те-кущего каталога, содержится в стандартной командной подсказке MS-DOS. На-пример, следующая командная подсказка:

C:\>

указывает, что текущим каталогом является корневой каталог (\), находящийся на диске C:.

Текущий диск имеется в системе всегда. Первоначально им является диск, с которого загружена операционная система MS-DOS. С каждым логиче-ским диском ассоциируется свой текущий каталог. Первоначально текущими каталогами дисков являются их корневые каталоги. Однако в дальнейшем их можно изменить.

Каждый диск содержит корневой каталог и, возможно, другие подкатало-ги. Корневой каталог всегда присутствует на диске. Он создается в процессе форматирования диска, выполняемого командой FORMAT. Размер корневого каталога, т.е. максимальное количество подкаталогов и файлов, которые могут быть записаны в нем, автоматически определяется во время форматирования и не может быть изменено (см. выше табл. 4.3). Каталоги, содержащиеся в корне-вом каталоге, могут иметь практически любой уровень вложенности и любой

87

размер. Таким образом, на каждом диске может быть создана иерархическая (или древовидная) структура каталогов, пример которой показан на рис. 4.7.

4.3.4 Маршруты

При использовании сложной, иерархической структуры каталогов на дис-

ке для указания файла уже недостаточно задать только имя файла, так как од-ноименные (но различные по содержанию) файлы могут присутствовать в раз-ных каталогах. Для задания точного местоположения файла в этой структуре необходимо, помимо его имени, указать также маршрут (путь) к нему, т.е. ве-дущую к файлу последовательность имен обязательно существующих катало-гов, разделенных символом “обратный слэш” (\). Иногда в маршрут включают имя диска, на котором находится искомый файл.

MS-DOS распознает маршруты длиной до 67 символов, включая однобук-венное имя диска, двоеточие после него и символы “обратный слэш”, разде-ляющие имена каталогов в маршруте.

Корневойкаталог

Логическийдиск

Файл A Файл CКаталогФайл BКаталог

Файл DПодкаталог Файл E Файл F

Файл HФайл G

Рис. 4.7 Пример иерархической структуры каталогов в MS-DOS

88

Различают абсолютные (или полные) и относительные (или неполные) маршруты. Абсолютный маршрут − это маршрут, начинающийся с корневого каталога некоторого диска. Например, в команде вывода на экран содержимого текстового файла

C:\DOS> TYPE D:\MYDIR\PROBA\TEXT\BOOK1.TXT

указан абсолютный маршрут к файлу BOOK1.TXT (отправной точкой пути к файлу здесь является корневой каталог на диске D:).

Относительный маршрут − это маршрут, начинающийся не с корнево-го, а с текущего каталога на указанном или на текущем диске, который является отправной точкой в поиске каталога, содержащего указанный файл. Например, в команде вывода на экран содержимого текстового файла

D:\MYDIR> TYPE PROBA\TEXT\BOOK1.TXT

указан относительный маршрут к файлу BOOK1.TXT (отправной точкой пути к файлу здесь является текущий каталог MYDIR).

4.3.5 Спецификация файла

Для определения местоположения существующего файла или места для размещения нового файла в иерархической структуре каталогов требуется ука-зать следующие сведения:

− имя диска, содержащий указанный файл; − маршрут доступа к указанному файлу; − составное имя файла, т.е. имя файла плюс расширение имени файла.

Данные сведения, сведенные воедино, часто рассматриваются как специ-фикация файла [40]. Поскольку, как было указано выше, маршруты бывают полными или неполными, то, соответственно, и спецификация файла может быть как полной, так и неполной. Спецификация файла имеет следующий син-таксис:

[имя_диска:][маршрут\]составное_имя_файла

где в квадратные скобки заключены необязательные элементы спецификации файла.

Таким образом, как следует из синтаксиса, обязательным элементом спе-цификации файла является составное имя файла, т.е. собственно имя файла (на-пример, BOOK1) и его расширение (например, TXT), отделенное от имени сим-волом “точка” (.). Отсутствующие элементы спецификации файла MS-DOS вос-станавливает по следующим правилам:

89

1) если диск не указан, то используется текущий диск; 2) если маршрут не задан, то считается, что файл находится в теку-

щем каталоге указанного или текущего диска (см. правило 1). Примеры полной и неполной спецификаций для файла BOOK1.TXT при-

ведены выше (см. п. 4.3.4). 4.3.6 Шаблоны имен файлов, используемые в MS-DOS Довольно часто требуется выполнить некоторую операцию (например,

копирование или удаление) для группы файлов, имена которых имеют некото-рое сходство (например, одинаковые начальные буквы в имени или одно и то же расширение). В этом случае целесообразно использовать так называемые шаблоны имен файлов, позволяющие адресоваться ко всем файлам, чьи имена соответствуют заданным шаблонам.

Для построения шаблонов в MS-DOS используются два так называемых символа-заменителя (называемые также символами обобщения, или обобщаю-щими символами): символ “звездочка” (*) и символ “вопросительный знак” (?).

Примечание. Игравшие когда-либо в игру “Эрудит” вспомнят, что в ней также имеются несколько фишек, помеченных звездочками, и что такие фишки могут использоваться при составлении слов в качестве любых букв алфавита, т.е. по сути являются универсальными буквами или символами-заменителями.

Символ “звездочка” представляет нуль или более символов, являющихся общими в именах группы файлов. Символ “вопросительный знак” представляет одиночный символ, являющийся общим в именах группы файлов.

Символы-заменители могут использоваться как в именах файлов, так и в их расширениях. Ниже приведены некоторые примеры использования симво-лов-заменителей при задании шаблонов имен файлов.

Шаблон имени Что представляет? Примеры

*.TXT Все файлы с любым именем и расширением .TXT

PROBA.TXT MYTEXT.TXT

REPORT.* Все файлы с именем REPORT и любым расширением (в том числе и пустым)

REPORT.TXT REPORT.WRI REPORT.

T*.*

Все файлы, имена которых начинаются с буквы “T” и ко-торые имеют любое расши-рение (в том числе и пустое)

TIPTOP.TXT TITLE.DOC TURBO.EXE TP.

???.*

Все файлы, имеющие трехбу-квенные имена и любое рас-ширение (в том числе и пус-тое)

SUN.BMP WIN.COM WIN.INI XYZ.

90

4.3.7 Спецификация каталога

По аналогии со спецификацией файла вводится спецификация каталога [40]. Спецификация каталога − это символьная строка, имеющая следующий синтаксис:

[диск:][маршрут] По крайней мере один из указанных элементов спецификации должен

присутствовать. Спецификация каталога однозначно определяет каталог, ука-занный последним в маршруте (или текущий каталог указанного диска, если маршрут не задан). Спецификация каталога может быть полной, если в ней ука-заны все допустимые элементы, и неполной − в противном случае.

По аналогии с шаблоном имени файла вводится шаблон имени каталога, который содержит указанные выше символы-заменители.

4.4 Краткое руководство по важнейшим командам MS-DOS

Ниже приведено описание общего синтаксиса команд MS-DOS, а также рассмотрены некоторые команды, обеспечивающие управление файлами, ката-логами и дисками, и примеры их использования [43].

4.4.1 Общий синтаксис команд MS-DOS

Общий синтаксис команд MS-DOS (за исключением команд конфигури-

рования системы, т.е. команд, используемых в файле CONFIG.SYS): имя_команды [переключатель] ... [параметр] ... [переключатель] ... где имя_команды определяет команду, которую требуется выполнить

(примеры имен команд: COPY, TYPE, FORMAT, CHKDSK и другие); параметры задают объекты, над которыми требуется выполнить опреде-

ляемые командой действия (в частности, ими могут быть спецификации файлов и каталогов). Команды могут не иметь параметров вообще (например, команда VER для вывода на экран текущей версии MS-DOS), иметь один или несколько параметров (например, команды TYPE и COPY соответственно). Если в коман-де содержатся несколько параметров, то они должны разделяться, по меньшей мере, одним пробелом (иногда допускаются другие символы-разделители). Как правило, параметры в командах являются позиционно-зависимыми, поэтому порядок их следования в команде должен соответствовать порядку, указанному в синтаксисе команды;

переключатели уточняют или модифицируют действие команды. Каждый переключатель начинается с символа “слэш”, или “дробная черта” (/) и поэтому

91

не обязательно должен отделяться от предшествующих элементов команды пробелом (это, правда, не всегда срабатывает). Одни переключатели указыва-ются после имени команды, но перед ее первым параметром, другие − после параметров. Однако в ряде случаев этот порядок следования переключателей значения не имеет.

Пример команды с одним параметром и двумя переключателями FORMAT A: /T:80 /N:9 4.4.2 Получение краткой справки по командам MS-DOS

В MS-DOS имеются следующие два способа для получения в интерактив-

ном режиме краткой справки об использовании той или иной команды. 1-й способ. Ввести имя требуемой команды с переключателем /? в ответ

на командную подсказку MS-DOS; например: C:\DOS>COPY /? В результате выполнения этой команды на экране будет отображена сле-

дующая справочная информация: Копирование одного или нескольких файлов в другое место. COPY [/A | /B] источник [/A | /B] [+ источник [/A | /B] [+ ...]] [результат [/A | /B]] [/V] [/Y | /-Y] источник Имя копируемого файла (файлов). /A Файл является текстовым файлом ASCII. /B Файл является двоичным. результат Каталог для размещения и/или имя создаваемого файла. /V Проверка правильности копирования путем сравнения файлов. /Y Отключение режима запроса подтверждения на замену файлов. /-Y Включение режима запроса подтверждения на замену файлов. Ключ /Y может быть установлен с помощью переменной среды COPYCMD. Ключ /-Y, заданный непосредственно в командной строке, имеет над ним приоритет. Чтобы объединить несколько файлов в один, необходимо указать единственный конечный файл и несколько исходных (путем использования подстановочных знаков или формата файл1+файл2+файл3). Это результат работы указанной команды в локализованной (русифициро-

ванной) версии MS-DOS. Естественно, что в оригинальной версии MS-DOS этот текст будет представлен на английском языке.

2-й способ. Этот способ ориентирован на работу с интерактивным спра-вочником по командам MS-DOS. Интерактивный справочник реализуется двумя файлами: HELP.COM − программа обслуживания интерактивного справочника, HELP.HLP − файл со справочной информацией по командам MS-DOS.

92

После ввода команды HELP в ответ на командную подсказку MS-DOS на экране будет отображена таблица, содержащая перечень команд MS-DOS, как показано на рис. 4.8.

Рис. 4.8 Экран интерактивного справочника по командам MS-DOS

Используя клавиши позиционирования курсора (←, →, ↑, ↓), а также кла-

виши PgUp, PgDn и Tab, можно выбрать в таблице команду, информацию о ко-торой требуется получить. После нажатия клавиши Enter на экране будет ото-бражена первая страница c информацией по выбранной команде, как показано на рис. 4.9. Для перехода к следующей странице (если она существует) необхо-димо нажать комбинацию клавиш Alt+N, для возврата к предыдущей странице − Alt+B.

Интерактивный справочник позволяет узнать не только о функциональ-ном назначении любой команды MS-DOS и ее синтаксисе, но и познакомиться с примерами использования команды, а также получить “твердую” копию этой информации, т.е. осуществить ее вывод на подключенный к компьютеру прин-тер.

Рис. 4.9 Страница со справочной информацией по команде COPY

93

4.4.3 Управление файлами

В MS-DOS версии 6.22 имеются несколько команд для работы с файлами, среди которых наиболее важными являются следующие:

COPY Копирование файла из одного места файловой системы в дру-гое (например, с одного диска на другой);

MOVE Перемещение файла из одного места файловой системы в другое (например, из одного каталога некоторого диска в дру-гой каталог этого же диска);

REN переименование указанного файла; DEL удаление указанного файла; TYPE вывод на экран монитора содержимого указанного текстового

файла. С целью приобретения начальных практических навыков работы на IBM

PC-совместимом компьютере в среде MS-DOS рекомендуется получить спра-вочную информацию о перечисленных командах одним из описанных выше способов. Кроме того, методические указания по использованию данных ко-манд (за исключением MOVE) содержатся в [44].

Копирование файлов

Команда COPY выполняет копирование одного или более файлов в ука-

занное место файловой системы. Кроме того, эта же команда позволяет выпол-нить объединение нескольких файлов в один файл и обеспечивает простейший способ создания текстового файла.

Общий синтаксис команды COPY дважды был приведен выше (см., текст, полученный в ответ на команду copy /?, или текст на рис. 4.9). Поэтому здесь целесообразно рассмотреть некоторые примеры использования команды COPY, а также нетипичные случаи применения этой команды.

Примеры использования команды COPY

1. Чтобы скопировать текстовый файл LETTER1.DOC в файл LET-

TER2.DOC и записать в конец копируемого файла символ “конец файла” (деся-тичный код 26), необходимо подать следующую команду:

COPY LETTER1.DOC LETTER2.DOC /A 2. Чтобы скопировать файл NOTE.TXT из текущего каталога на текущем

диске в подкаталог MYNOTES и предотвратить вывод подсказки для ввода подтверждения замены результирующего файла (если он уже существует в под-каталоге MYNOTES), необходимо подать следующую команду:

94

COPY NOTE.TXT MYNOTES /Y 3. Чтобы скопировать файл ROBIN.TYP из текущего каталога на текущем

диске в каталог BIRDS, находящийся на диске C:, необходимо подать следую-щую команду:

COPY ROBIN.TYP C:\BIRDS

Если каталог BIRDS не существует, то файл ROBIN.TYP будет скопирован в файл с именем BIRDS в корневой каталог на диске С:.

4. Чтобы скопировать несколько файлов в один файл, необходимо пере-числить имена копируемых файлов (источников), разделив их с помощью знака “плюс” (+), а затем через пробел указать имя результирующего файла, как пока-зано ниже

COPY JAN97.RPT + FEB97.RPT + MAR97.RPT REPORT

Данная команда объединяет файлы с именами JAN97.RPT, FEB97.RPT и MAR97.RPT, находящиеся в текущем каталоге на текущем диске, в файл RE-PORT, также находящийся в текущем каталоге на текущем диске. При этом ре-зультирующий файл создается с текущей датой и временем (каждый из источ-ников имеет свою дату и время создания). Если в команде опускается результи-рующий файл, то MS-DOS объединяет файлы и записывает результат в файл с именем первого указанного файла. Например, если файл REPORT уже сущест-вует, то можно использовать следующую команду для объединения всех четы-рех файлов в файл REPORT:

COPY REPORT + APR97.RPT + MAY97.RPT + JUN97.RPT

5. Объединение нескольких файлов в один файл можно выполнить, ис-пользуя символы-заменители, как показано ниже

COPY *.TXT COMBIN.DOC

Данная команда объединяет все файлы, имеющие расширение .TXT и храня-щиеся в текущем каталоге на текущем диске, в один файл COMBIN.DOC, также хранящийся в текущем каталоге на текущем диске.

6. Если требуется объединить несколько двоичных файлов, имена кото-рых заданы с помощью шаблона, в один файл, необходимо указать переключа-тель /B, как показано ниже

COPY /B *.EXE COMBIN.EXE

95

Этот переключатель предотвращает рассмотрение CTRL+Z (десятичный код 26) операционной системой MS-DOS в качестве признака “конец файла”.

7. Следующая команда COPY объединяет каждый файл, имеющий рас-ширение .TXT, с соответствующим файлом, имеющим расширение REF. В ре-зультате создается файл с тем же самым именем файла, но расширением .DOC:

COPY *.TXT + *.REF *.DOC

Таким образом, если в текущем каталоге на текущем диске находятся файлы FILE1.TXT, FILE2.TXT, FILE1.REF, FILE2.REF и т.д., то команда COPY объе-диняет файлы FILE1.TXT и FILE1.REF для формирования файла FILE1.DOC. Затем она объединяет файлы FILE2.TXT и FILE2.REF для формирования файла FILE2.DOC и т.д.

8. Следующая команда COPY объединяет вначале все файлы с расшире-нием .TXT, затем все файлы с расширением .REF и помещает результат в один файл с именем COMBIN.DOC:

COPY *.TXT + *.REF COMBIN.DOC

9. Следующая команда COPY копирует символы, введенные с клавиату-ры, в файл OUTPUT.TXT:

COPY CON OUTPUT.TXT

После ввода данной команды и нажатия клавиши Enter, MS-DOS начнет копировать всё, что вводится с клавиатуры, в файл OUTPUT.TXT. По оконча-нии ввода текста необходимо поместить в файл символ “конец файла”, нажав клавишу F6 или комбинацию клавиш Ctrl+Z (сначала нажимается и удержива-ется клавиша Ctrl, затем нажимается клавиша Z). При этом на экране отобра-зится пара следующая символов: ^Z. В заключение необходимо нажать клавишу Enter.

10. Следующая команда COPY выполняет копирование информации, вво-димой с клавиатуры на принтер, подключенный к параллельному порту LPT1:

COPY CON LPT1 Более подробная информация об использовании команды COPY CON

приведена ниже.

Создание файлов с помощью команды COPY

Простейший способ создания файла описан выше в примере 9. Здесь же приведем несколько замечаний относительно использования команды COPY CON для создания файла.

96

Стандартное имя CON − это сокращение от слова console, т.е. консоль или консольное устройство, которое на заре становления ВТ обозначало теле-тайп, подключенный к компьютеру (так, например, у первых отечественных микроЭВМ “Электроника-60” в качестве консольного устройства некоторое время использовалась электрическая пишущая машинка “Consul-260”). В даль-нейшем это устройство ввода-вывода было заменено более совершенным − дисплеем на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), но термин остался и употребля-ется до сих пор.

При использовании команды COPY CON для создания файла возможно-сти редактирования текста, вводимого (копируемого) в файл существенно огра-ничены. Неверные символы во введенной строке − до нажатия клавиши Enter − могут быть стерты с помощью клавиши ←Backspace (“Забой”) или клавиши ← (стрелка влево); при этом будет стерт весь текст от конца данной строки до ошибочного символа включительно, поэтому остаток текста в строке придется ввести заново.

После нажатия клавиши Enter изменить или стереть строку нельзя. Если ошибка обнаружена в одной из ранее введенных строк, то, нажав комбинацию клавиш Ctrl+C, можно отказаться от создания файла. После этого можно начать все сначала, введя команду “COPY CON имя_файла” или нажать клавишу F3 (чтобы эта команда появилась в командной строке). К счастью компьютер, как правило, оснащается различными программами для ввода и редактирования текста − так называемыми редакторами текста [45], поэтому прибегать к помо-щи команды COPY CON приходится редко.

Если создается файл, в котором повторяются одни и те же строки, то для воспроизведения последней введенной строки целиком или отдельных ее частей можно воспользоваться функциональной клавишей F3. Нажатие клавиши F3 по-сле перехода на новую строку приводит к повторению в файле предыдущей строки.

Нажатие клавиши F6 дает тот же результат, что и нажатие комбинации клавиш Ctrl и Z (обозначается как Ctrl+Z), т.е. вставляет в файл символ-признак “конец файла”.

С помощью команды COPY CON можно выполнить добавление строк в уже существующий файл. Пусть, например, имеется некоторый текстовый файл PROBA.TXT, в начало и конец которого необходимо добавить по несколько строк. В данном случае просто использовать команду COPY CON PROBA.TXT нельзя, поскольку она создаст новый файл с этим же именем, а содержимое ста-рого исчезнет безвозвратно. Для добавления строк в конец файла необходимо подать следующую команду:

COPY PROBA.TXT+CON PROBA.TXT После появления на экране слова CON можно начинать ввод с новой

строки, расположенной под ним. Как и прежде, после ввода последней строки

97

необходимо нажать комбинацию клавиш Ctrl+Z (или клавишу F6), а затем кла-вишу Enter.

Для добавления строк в начало существующего файла нельзя просто пе-реставить параметры в приведенной команде, т.е. нельзя вводить команду copy con+proba.txt proba.txt. Ввод этой команды привел бы к появлению на экране следующего сообщения: Заменить proba.txt [Y(да)/N(нет)/А(все)]? Выбор перво-го и третьего вариантов ответа приводит к уничтожению уже существующего файла и к созданию нового. Выбор второго варианта ответа означает отказ от копирования.

Чтобы выйти из этой затруднительной ситуации, необходимо объединить новые строки и существующий файл в новый файл, т.е. ввести следующую ко-манду:

COPY CON+PROBA.TXT PROBA1.TXT После появления на экране слова CON можно вводить новые строки. По

окончании ввода необходимо нажать комбинацию клавиш Ctrl+Z (клавишу F6), а затем клавишу Enter. При этом введенные строки будут вставлены в начало нового файла PROBA1.TXT. Затем строки из исходного файла PROBA.TXT будут скопированы в файл PROBA1.TXT. Чтобы новый файл назывался по-старому, можно выполнить следующие команды:

COPY PROBA1.TXT PROBA.TXT DEL PROBA1.TXT

Первая команда копирует файл PROBA1.TXT в файл PROBA.TXT, а вторая ко-манда удаляет файл PROBA1.TXT.

Перемещение файлов

Команда MOVE (впервые появилась в MS-DOS версии 6.0) предназначена для перемещения одного или более файлов в указанное место файловой систе-мы. Кроме того, команда MOVE может использоваться для переименования файлов и каталогов.

Команда MOVE для перемещения одного или более файлов имеет сле-дующий синтаксис:

MOVE [/Y | /-Y] спец_файла1 [, спец_файла2] ... спец_каталога Команда MOVE для перемещения единственного файла и/или его пере-

именования имеет следующий синтаксис:

MOVE [/Y | /-Y] спец_файла1 спец_файла2

98

Команда MOVE для переименования каталога имеет следующий синтак-сис:

MOVE [/Y | /-Y] спец_каталога1 спец_каталога2

Параметры: спец_файла1, спец_файла2, ... − спецификации файлов, определяющие

местоположение и указывают имена пересылаемых файлов; спец_каталога − спецификация каталога, в который пересылаются фай-

лы. Переключатели: /Y − отказ от вывода запросов подтверждения при создании каталогов и

замене файлов; /-Y − выдача запросов на подтверждение при создании каталогов и замене

файлов.

Примеры использования команды MOVE

1. Пусть на диске С: имеется каталог LETTERS. Для пересылки файлов MARY.TXT и PATRICIA.TXT из текущего каталога в каталог LETTERS можно ввести следующую команду:

MOVE MARY.TXT, PATRICIA.TXT C:\LETTERS

2. Для пересылки файла MARY.TXT из текущего каталога в каталог LET-TERS на диске C: и переименования его в ANNE.TXT можно ввести следую-щую команду:

MOVE MARY.TXT C:\LETTERS\ANNE.TXT 3. Для переименования каталога THISYEAR, находящегося на диске C:, в

LASTYEAR, необходимо ввести следующую команду: MOVE C:\THISYEAR C:\LASTYEAR

Переименование файла

Команда REN (полностью RENAME) предназначена для изменения име-ни указанного файла. Она имеет следующий синтаксис:

REN [диск:][маршрут]имя_файла1 имя_файла_2 Параметры:

99

[диск:][маршрут]имя_файла1 определяют местонахождение и имя файла или группы файлов, которые необходимо переименовать;

имя_файла_2 определяет новое имя для файла или, если указаны симво-лы-заменители, новые имена для файлов. Недопустимо указание для данного файла нового диска или маршрута.

Примеры использования команды REN

1. Пусть для всех файлов, находящихся в текущем каталоге и имеющих

расширение имени .TXT, требуется изменить расширение на .DOC. Для подоб-ного переименования можно воспользоваться следующей командой:

REN *.TXT *.DOC

2. Для переименования файла CHAPTER1, находящегося на диске B:, в файл PART1 можно воспользоваться следующей командой:

REN B:CHAPTER1 PART1 Файл с новым именем PART1 остается на диске B:.

Удаление файлов

Команда DEL (полностью DELETE), синонимом которой является ко-манда ERASE, предназначена для удаления указанного файла. Кроме того, ис-пользование этой же команды с шаблоном имени файла позволяет сразу уда-лять группу файлов. Команда DEL (ERASE) имеет следующий синтаксис:

DEL спецификация_файла [/P] ERASE спецификация_файла [/P] Параметр: спецификация_файла определяет местоположение и указывает имя уда-

ляемого файла или группы удаляемых файлов. Переключатель: /P обеспечивает вывод подсказки перед удалением указанного файла.

Примеры использования команды DEL (ERASE)

1. Чтобы удалить файл CAT.TMP из каталога TEST на диске C:, можно ввести одну из следующих команд:

DEL C:\TEST\CAT.TMP ERASE C:\TEST\CAT.TMP

100

2. Чтобы удалить все файлы в каталоге TEST на диске C:, можно исполь-

зовать одну из следующих команд:

DEL C:\TEST DEL C:\TEST\*.*

Отображение текстового файла

Команда TYPE предназначена для отображения на экране монитора со-держимого текстового файла. Эта команда позволяет просмотреть текстовый файл без модификации его содержимого.

Команда TYPE имеет следующий синтаксис: TYPE спецификация_файла Параметр: спецификация_файла определяет местоположение и указывает имя про-

сматриваемого файла.

Примеры использования команды TYPE

1. Чтобы вывести на экран содержимое текстового файла с именем HOLIDAY.MAR, необходимо ввести следующую команду:

TYPE HOLIDAY.MAR

2. Если файл, отображаемый на экране, достаточно длинный, можно вме-сте с командой TYPE использовать команду MORE, которая выполняет постра-ничный вывод информации на экран:

TYPE HOLIDAY.MAR | MORE Более подробно понятие канала (pipe) будет рассмотрено ниже.

4.4.4 Управление каталогами

В MS-DOS версии 6.22 имеются несколько команд для работы с катало-гами, среди которых наиболее важными являются следующие:

MD (MKDIR) Создание нового каталога; RD (RMDIR) Удаление указанного каталога; CD (CHDIR) Смена текущего каталога; DIR Вывод листинга каталога;

101

DELTREE Удаление поддерева в иерархической структуре каталогов.

Создание нового каталога

Для создания нового каталога предназначена команда MD (MKDIR),

имеющая следующий синтаксис:

MD спецификация_каталога MKDIR спецификация_каталога

Параметр: спецификация_каталога указывает спецификацию нового каталога.

Примеры использования команды MD (MKDIR)

1. Для того чтобы создать каталог TAXES в корневом каталоге на теку-

щем диске, необходимо ввести одну из следующих команд:

MD \TAXES MD \TAXES

2. Если предположить, что TAXES является текущим каталогом, то для

создания в нем подкаталога PRORERTY необходимо ввести одну из следующих команд:

MD PROPERTY MKDIR PROPERTY

Удаление каталога

Для удаления каталога предназначена команда RD (RMDIR), имеющая

следующий синтаксис:

RD спецификация_каталога RMDIR спецификация_каталога

Параметр: спецификация_каталога указывает спецификацию удаляемого каталога.

102

Пример использования команды RD (RMDIR)

Для того чтобы удалить каталог с именем \USER\SMITH, сначала нужно его очистить, т.е. удалить все подкаталоги и файлы, содержащиеся в нем. Убе-диться, что удаляемый каталог пуст можно, подав следующую команду:

DIR \USER\SMITH /A MS-DOS должна отобразить на экране только записи вида “.” и “..”. Затем из любого каталога, за исключением \USER\SMITH, необходимо ввести одну из следующих команд:

RD \USER\SMITH RMDIR \USER\SMITH

Смена текущего каталога

Для смены текущего каталога предназначена команда CD (CHDIR),

имеющая следующий формат:

CD спецификация_каталога CD .. CHDIR спецификация_каталога CHDIR ..

Параметры: спецификация_каталога указывает имя нового текущего каталога; .. задает необходимость перехода в родительский каталог. Если команда задана в виде “CD диск:”, то на экране отображается имя

текущего каталога заданного диска. Если команда CD задана без параметров, то на экране отображаются имена текущих диска и каталога.

Примеры использования команды CD (CHDIR)

1. Любая из приведенных ниже команд устанавливает каталог PROBA в качестве текущего каталога:

CD \PROBA CHDIR \PROBA

2. Пусть имеется каталог \SPECIALS с подкаталогом SPONSORS. Чтобы

сделать этот подкаталог текущим каталогом, необходимо ввести следующую команду:

103

CD \SPECIALS\SPONSORS 3. Если текущим каталогом является каталог \SPECIALS, то сделать те-

кущим каталогом подкаталог SPONSORS можно с помощью следующей ко-манды:

CD SPONSORS

4. Чтобы сменить подкаталог обратно на родительский каталог, необхо-димо ввести следующую команду:

CD ..

5. Чтобы отобразить на экране имя текущего каталога, необходимо ис-пользовать команду CD или CHDIR без параметров. Например, если текущим каталогом является каталог \PUBLIC\JONES на диске B:, то ввод команды CHDIR приведет к следующему ответу:

B:\PUBLIC\JONES

6. Если требуется скопировать все файлы, находящиеся в каталогах \PUBLIC\JONES и \PUBLIC\LEWIS на диске C: в корневой каталог на диске D:, то можно ввести следующие команды:

CHDIR C:\PUBLIC\JONES COPY C:*.* D:\ CHDIR C:\PUBLIC\LEWIS COPY C:*.* D:\

7. Если требуется скопировать все файлы, находящиеся в каталогах

\PUBLIC\JONES и \PUBLIC\LEWIS на диске C: в текущий каталог на диске D:, то можно ввести следующие команды:

CHDIR C:\PUBLIC\JONES COPY C:*.* D: CHDIR C:\PUBLIC\LEWIS COPY C:*.* D:

Вывод листинга каталога

Для вывода листинга каталога, содержащего список файлов и подкатало-

гов из указанного каталога, предназначена команда DIR, имеющая следующий синтаксис:

104

DIR [спец_файла] [/P] [/W] [/A[[:]атрибуты]] [/O[[:]сортировка]]

[/S] [/B] [/L] [/V]

Параметр: спец_файла − спецификация одного или нескольких файлов (могут

использоваться один или несколько шаблонов имен). Переключатели: /P − пауза после заполнения каждого экрана; /W − вывод списка в несколько столбцов; /A − вывод файлов с заданными атрибутами;

атрибуты: A − необходима архивация (Archive); D − каталоги (Directory); H − скрытые файлы (Hidden); S − системные файлы (System); R − файлы только для чтения (Read-Only); Префикс “-” имеет значение НЕ;

/O − сортировка списка отображаемых файлов; сортировка: N − по имени (алфавитная);

S − по размеру (начиная с файлов меньшего размера); E − по расширению (алфавитная); D − по дате создания или последнего обновления (начиная с

более ранних); G − начать список с каталогов; C − по коэффициенту сжатия (каталоги размещаются в конце

спиcка в естественном порядке); Префикс “-” означает обратный порядок

/S − вывод списка файлов из заданного каталога и его подкаталогов; /B − вывод только имен файлов; /L − использование нижнего регистра; /V − отображение расширенных сведений о файлах и каталогах.

Примеры использования команды DIR

1. Чтобы вывести на экран список всех каталогов и файлов, включая

скрытые и системные файлы, которые находятся в текущем каталоге, необхо-димо ввести следующую команду:

DIR /A

2. Пусть требуется поочередно вывести листинги всех каталогов, находя-щихся в корневом каталоге, причем листинг каждого каталога должен быть от-сортирован в алфавитном порядке и выведен в “широком” формате (в 5 столб-

105

цов) с паузой после вывода каждого “экрана” (страницы). Чтобы выполнить пе-речисленные выше требования, необходимо сделать корневой каталог текущим и подать следующую команду:

DIR /S /W /O /P Сначала данная команда DIR выводит имя корневого каталога, имена

подкаталогов и имена файлов (включая их расширения) в корневом каталоге. Затем она выводит имена подкаталогов и имена файлов в каждом подкаталоге дерева каталогов.

3. Чтобы команда DIR, приведенная в предыдущем примере, выполнила вывод имен файлов и их расширений, но опустила при этом имена каталогов, ее необходимо изменить следующим образом:

DIR /S /W /O /P /A:-D 4. Чтобы вывести листинг каталога на принтер, а не на экран монитора,

необходимо перенаправить вывод, как показано ниже DIR > PRN

При указании стандартного имени PRN в строке команды DIR листинг каталога посылается на принтер, подключенный к порту LPT1. Если же принтер подключен к другому порту, то в команде DIR имя PRN нужно заменить на имя соответствующего порта.

5. Можно также перенаправить вывод команды DIR в файл, заменив в предыдущем примере имя PRN на имя файла. При этом в командной строке до-пускается использование маршрута к этому файлу. Так, например, для того что-бы направить вывод команды DIR в файл DIR.DOC в каталоге RECORDS, не-обходимо ввести следующую команду:

DIR > \RECORDS\DIR.DOC

Если в указанном каталоге RECORDS файл DIR.DOC не существует, MS-

DOS создаст его. Если указанный каталог отсутствует, то MS-DOS выдаст сле-дующее сообщение:

File creation error (Ошибка при создании файла)

6. Для вывода на экран списка всех имен файлов с расширением .TXT во всех каталогах диска C: необходимо ввести следующую команду:

106

DIR C:\*.TXT /W /O /S /P

Данная команда DIR выводит на экран “широкоформатный”, отсортиро-ванный по алфавиту список имен файлов, соответствующих указанному шабло-ну, в каждом файле и делает паузу при каждом заполнении экрана, ожидая на-жатия любой клавиши для продолжения.

Удаление поддеревьев в иерархической структуре каталогов

Команда DELTREE (впервые появилась в MS-DOS версии 6.0) предна-

значена для удаления одного или нескольких указанных каталогов и всех нахо-дящихся в них подкаталогов и файлов. Эта команда имеет следующий синтак-сис:

DELTREE [/Y] спец_каталога [спец_каталога [...]]

Параметр: спец_каталога указывает имя удаляемого каталога (в качестве имени мо-

жет быть задан шаблон имени каталога). Переключатель: /Y запрещает вывод подсказки, запрашивающей подтверждение для уда-

ления подкаталога.

Примечание. Команду DELTREE необходимо использовать с осторож-ностью, поскольку она уничтожает все поддеревья иерархической структуры каталогов, корнями которых являются каталоги, сопоставимые с указанным шаблоном имени каталога.

Пример использования команды DELTREE

Для того чтобы удалить каталог TEMP на диске C:, включая все файлы и

подкаталоги этого каталога, необходимо ввести следующую команду: DELTREE C:\TEMP

4.4.5 Перенаправление ввода-вывода и организация канала

Большинство команд MS-DOS осуществляет ввод-вывод информации на

консоль, т.е. ввод данных происходит с клавиатуры, а вывод − на экран монито-ра. Для этих команд, а также всех программ, использующих стандартные уст-ройства ввода-вывода (AUX, СOM1, СOM2, ..., CON, LPT1, LPT2, ..., PRN) MS-DOS позволяет:

107

− выполнять вывод информации не на экран (или в другое стандартное устройство вывода), а в файл (перенаправление вывода);

− выполнять чтение информации не с клавиатуры (или из другого стан-дартного устройства ввода), а из файла (перенаправление ввода);

− передавать данные, выводимые одной командой или программой, в ка-честве входных данных для другой команды или программы (организация ин-формационного канала).

Ниже каждая из этих возможностей рассмотрена более подробно. Перенаправление вывода

Для того чтобы адресовать выходные данные команды в файл, а не в

стандартное устройство вывода, необходимо указать командную строку сле-дующего вида:

команда > имя_файла

Например, для вывода содержимого текущего каталога не на экран, а в файл MYFILES, необходимо ввести следующую команду:

DIR > MYFILES

Если файл MYFILES не существует, то MS-DOS создает его и записывает

в него так называемый листинг каталога, содержащий информацию о находя-щихся в каталоге файлах. Если же файл MYFILES уже существует, то MS-DOS выполняет его перезапись, т.е. удаляет прежнюю информацию и записывает но-вую.

Если требуется присоединить листинг каталога к уже существующему файлу MYFILES, то необходимо ввести следующую команду:

DIR >> MYFILES

В результате листинг каталога добавляется в конец файла MYFILES.

Перенаправление ввода

Для того чтобы получить входные данные команды из файла, а не из стандартного устройства ввода, необходимо указать командную строку сле-дующего вида:

команда < имя_файла

108

Например, следующая команда выполняет чтение данных из файла MY-FILES, их сортировку в алфавитном (лексикографическом) порядке и вывод от-сортированных данных на экран:

SORT < MYFILES Некоторые команды MS-DOS (FIND, MORE, SORT) называются коман-

дами-фильтрами; они получают входные данные от пользователя или из файла, преобразуют их некоторым образом и затем выводят результирующую инфор-мацию на экран или в файл. Например, следующая команда:

SORT < MYFILES > MYLIST

выполнит сортировку файла MYFILES и запишет отсортированные данные в файл MYLIST.

Организация информационного канала

Если выходные данные одной команды MS-DOS должны использоваться

как входные данные для другой команды, то в командной строке можно указать обе эти команды, соединив их с помощью символа “вертикальная черта” (|), как показано ниже

команда1 | команда2

Эта конструкция называется информационным каналом (pipe). Например, следующая команда:

DIR | MORE

осуществляет постраничный вывод листинга каталога на экран монитора. Ко-личество команд, образующих информационный канал, может быть больше двух. Например, следующая команда:

DIR | SORT | MORE осуществляет постраничный вывод отсортированного по алфавиту листинга ка-талога на экран монитора.

Идея информационного канала между командами (программами) заимст-вована MS-DOS из известной операционной системы Unix (произносится как “Юникс”). Информационный канал в MS-DOS реализован как временный файл, который сначала создается в корневом каталоге текущего диска, а затем − после выполнения командной строки − удаляется из корневого каталога. В самой Unix

109

информационный канал реализуется с помощью внутреннего файла, который хранится не на диске, а в оперативной памяти, что делает обмен информацией между командами более быстрым.

4.5 Командные оболочки MS-DOS

Операционная система MS-DOS обеспечивает пользовательский интер-фейс в виде командной строки, когда для выполнения некоторого действия с файлом или каталогом пользователь должен вспомнить соответствующую ко-манду и ввести ее вместе с необходимыми параметрами в ответ на подсказку (см. выше подраздел 4.4). Этот способ взаимодействия с системой (“вспоминай и набирай”) требует от пользователя определенного уровня профессиональной подготовки. Более удобной формой общения с системой является организация диалога (“смотри и выбирай”), когда информация, необходимая для выполне-ния тех или иных действий, представлена на экране. Именно такое общение пользователя с системой было предложено Джоном Соча (John Socha) в сере-дине 1980-х годов в своей программе, известной ныне как Norton Commander26.

Пользовательский интерфейс Norton Commander поражает своей гениаль-ной простотой (рис. 4.10). Программа делит экран монитора на две равные час-ти, называемые панелями. На каждой из панелей отображается содержимое вы-бранного каталога диска, по которому можно перемещаться с помощью клавиш управления курсором. Текущая строка панели выделяется с помощью полоски подсветки. Над панелями выводится строка с командами меню, указание любой из этих команд приводит к появлению ниспадающего меню с набором соответ-ствующих команд. Под панелями находится строка, содержащая подсказки для “горячих” клавиш (F1−F10), которые предназначены для вызова часто исполь-зуемых команд (копирования файла, перемещения/переименования файла, соз-дания каталога, удаления файла и т.п.). Самая нижняя строка экрана предназна-чена для ввода команд MS-DOS “традиционным” способом.

Таким образом, пользователь, установив Norton Commander на диск сво-его компьютера, может свести свое непосредственное общение с MS-DOS к минимуму. Популярность командной (операционной) оболочки Norton Com-mander среди пользователей IBM PC стремительно росла. Учитывая это обстоя-тельство, фирма Microsoft выпустила вместе с MS-DOS версии 4.0 собственную командную оболочку, назвав ее DOS Shell (оболочка DOS). Однако выгодный момент для выпуска подобной программы был упущен, DOS Shell так и не по-лучила такого же широкого распространения как Norton Commander. Программа Norton Commander имеет несколько клонов для DOS, среди кото-рых можно отметить две отечественные разработки: DOS Navigator (DN) и 26 Программа получила имя Питера Нортона − президента компании Peter Norton Computing, которая к настоящему времени влилась в состав компании Symantec. Сам автор програм-мы, Джон Соча, несколько лет проработал у Нортона, а затем уволился (о причинах увольнения сведений нет).

110

Volkov Commander (VC). С появлением операционной системы Windows 95 ка-залось бы потребности в каких-либо дополнительных командных оболочках не возникнет, поскольку она обеспечивала удобные средства как для навигации по файловой системе, так и для выполнения общих операций с файлами и катало-гами. Тем не менее, были отмечены определенные “ностальгические” моменты у значительной части пользователей IBM PC, которыми не замедлили восполь-зоваться разработчики программного обеспечения. Были разработаны 32-разрядные программы, копирующие и расширяющие функциональные возмож-ности Norton Commander для использования в Windows 95: Norton Commander for Windows 95 (Symantec Corp.), Windows Commander (Christian Ghisler), FAR Manager (отечественная разработка: Евг. Рошал, г. Новосибирск) и другие. В настоящее время все они нашли широкое распространение среди пользователей IBM PC.

Рис. 4.10 Пользовательский интерфейс Norton Commander

4.6 Современные операционные системы IBM PC-совместимых компьютеров

MS-DOS, рассмотренная выше, в настоящее время утратила свою доми-нирующую роль, уступив место более совершенным операционным системам. Это обусловлено, во-первых, значительным прогрессом в области технических средств IBM PC-совместимых компьютеров (некоторые важные функции со-временных операционных систем требуют специальной аппаратной поддержки [46]); во-вторых, почти двадцатилетнее эволюционное развитие операционных систем семейства Windows в недрах корпорации Microsoft позволило создать программые продукты, удовлетворяющие требованиям большинства пользова-

111

телей в отношении производительности, надежности, безопасности и удобства их использования.

Ниже рассмотрены вопросы классификации операционных систем, а так-же общие характеристики систем семейства Windows (Windows 95, 98, NT, 2000, ME, XP), каждая из которых представляет собой пример современной операционной системы для IBM PC-совместимых компьютеров. В качестве возможных альтернатив перечисленным операционным системам семейства Windows можно указать системы OS/2 фирмы IBM и Linux (достаточно попу-лярная версия Unix для IBM PC)27.

4.6.1 Классификация операционных систем Классификацию операционных систем можно выполнить различным об-разом, основываясь на нескольких ключевых критериях [47].

По способу (режиму) взаимодействия с пользователем операционные сис-темы делятся на три класса:

− пакетные, когда пользователь подготавливает исходные данные для обработки программой в виде так называемого пакета. На ранних этапах разви-тия ЭВМ в качестве такого пакета использовалась колода перфокарт (следует отметить, что название режима происходит от слова batch, которое можно пере-вести с англ. как “пачка”). Позднее пакет данных формировался на магнитной ленте или диске, но сам характер взаимодействия с пользователем от этого не менялся.

Каждый пакет сопровождается специальными перфокартами, содержа-щими команды языка управления заданиями (например, JCL − Job Control Lan-guage). Затем пакет передается оператору ЭВМ, который помещает его в уст-ройство для считывания и осуществляет контроль выполнения программы. Ре-зультаты обработки возвращаются пользователю в виде распечаток принтера (листинга). В настоящее время пакетные ОС в чистом виде практически не встречаются, однако многие операционные системы поддерживают этот режим взаимодействия с пользователем;

− интерактивные, или диалоговые, когда работа пользователя с про-граммой (в том числе − с операционной системой) выполняется в режиме непо-средственного общения − путем подачи соответствующих команд с терминала ЭВМ. Подавляющее большинство современных ОС общего назначения обеспе-

27 Первоначальный вариант операционной системы Linux (читается как “Линукс”) разрабо-тан финским студентом Линусом Торвальдсом в 1991 году, который тогда же разместил исходный код ядра системы в Internet. С тех пор множество программистов, общаясь по-средством Internet, совершенствуют систему под руководством ее первого автора (ныне проживающего в США). Успешному распространению Linux способствуют усилия Фонда свободно распространяемых программ (Free Software Foundation − FSF), который предос-тавляет инструментальные средства для разработки программного обеспечения, рабо-тающего в среде данной системы.

112

чивают подобный режим в качестве основного способа взаимодействия с поль-зователем. Интерактивные ОС можно разделить, в свою очередь, на системы с графическим интерфейсом (например, системы семейства Windows) и интер-фейсом типа “командная строка” (например, MS-DOS без использования про-грамм-оболочек);

− реального времени, когда исходные данные для обработки обеспечи-ваются физическими сигналами, поступающими от различных датчиков, встро-енных в технологическое оборудование, а время является критическим пара-метром. Это означает, что “отклик” на изменение состояния контролируемого объекта (например, ядерного реактора), обеспечиваемый подобными система-ми, должен быть очень оперативным.

По числу пользователей, одновременно работающих с одним и тем же эк-земпляром ОС, различают:

− однопользовательские (например, MS-DOS, Windows 95, Windows NT Workstation и другие);

− многопользовательские (например, Window NT Server, Novell Net-Ware 4.1 и другие).

По числу одновременно выполняемых задач (программ) операционные системы делятся на два класса:

− однозадачные (например, MS-DOS, MSX и другие); − многозадачные (например, Windows, Unix, OS/2 и другие). В свою очередь, многозадачные ОС могут использовать различный режим

(метод) реализации многозадачности: − вытесняющую многозадачность, когда все процессорное время раз-бивается на равные по величине промежутки, называемые квантами. Каждой задаче, т.е. выполняющейся программе, предоставляется воз-можность использовать центральный процессор (ЦП − главный ресурс компьютера) в течение выделенного кванта времени; по истечении это-го кванта процессор предоставляется другой задаче (такой способ пла-нирования и диспетчеризации ЦП принят в большинстве современных многозадачных ОС, например, в Windows 95, 98, 2000, Linux, OS/2);

− невытесняющая многозадачность, когда решение о передаче ЦП дру-гой задаче принимает выполняющаяся в данный момент программа; она же должна периодически проверять очередь запросов (требований) ЦП (однако длительность периода между проверками у разных задач может быть различной). Такая многозадачность, называемая иногда коллективной, реализована, например, в Windows 3.1, в настоящее время уже вышедшей из употребления.

По возможности распараллеливания вычислений в рамках одной задачи различают ОС:

− однопотоковые, когда задача (процесс) сопоставляется только с одним потоком (thread) последовательно выполняющихся команд, а планирование и диспетчеризация работы выполняется на уровне процессов;

113

− многопотоковые, когда в задаче могут быть организованы несколько параллельно выполняющихся потоков команд, причем каждый поток выступает в качестве самостоятельной единицы планирования и диспетчеризации работы. Потоки процесса выполняются параллельно, причем каждый из потоков обла-дает рядом свойств, присущих самому процессу. В частности, каждый поток имеет так называемый контекст, включающий содержимое счетчика команд и указателя стека, а также собственную область стека28. Наиболее существенным отличием потоков от процессов является то, что процессы, как правило, обла-дают своим отдельным адресным пространством, а у потоков адресное про-странство общее, принадлежащее породившему их процессу.

По количеству поддерживаемых процессоров различают ОС: − однопроцессорные, спроектированные в расчете на использование только одного ЦП (например, Windows 95);

− многопроцессорные, спроектированные в расчете на одновременное использование нескольких ЦП в составе одного компьютера (например, Windows 2000 Server).

По реализованным архитектурным решениям различают ОС на основе: − монолитного ядра, обеспечивающего большинство возможностей ОС, включая планирование процессов, работу файловой системы, сетевые функции, операции драйверов различных устройств и другие. Обычно монолитное ядро реализуется как единый процесс, все элементы кото-рого используют одно и то же адресное пространство. Большинство со-временных ОС имеют архитектуру монолитного ядра;

− микроядра, обеспечивающего только базовые возможности ОС, к кото-рым относятся планирование и управление адресным пространством процессов, обеспечение межпроцессного взаимодействия. Выполнение сервисных функций ОС обеспечивают вспомогательные процессы, на-зываемые серверами. Эти процессы запускаются в пользовательском режиме и микроядро работает с ними так же, как и с другими приложе-ниями.

4.6.2 Основные понятия операционной системы Windows

Хронология появления различных версий Windows и краткая

характеристика их функциональных возможностей

28 Стек − специальным образом организованная область оперативной памяти, доступ к ко-торой осуществляется в соответствии с дисциплиной LIFO (last in first out − последним вошел, первым вышел). Стек заполняется в направлении своей вершины, на которую ад-ресуется указатель стека (SP − Stack Pointer). Поддержка стека может быть реализована либо на уровне машинной архитектуры − включением SP в состав регистров ЦП и вводом специальных команд (PUSH − поместить в стек, POP − выбрать из стека), либо на про-граммном уровне.

114

В сентябре 1981 года фирма Microsoft начала разработку программы “Менеджер интерфейса” (Interface Manager), названной впоследствии Microsoft Windows. Исторически семейство операционных систем Windows включает в свой состав следующие операционные системы:

• Windows 1.0 − первая версия системы, о работе над которой фирма Mi-crosoft объявила весной 1983 года. Выпуск системы состоялся 20 нояб-ря 1985 года. Использовалась на персональных компьютерах с процес-сором 8088/8086, основывалась на MS-DOS 2.0 и обеспечивала доста-точно примитивный − с современной точки зрения − графический ин-терфейс в виде трех неперекрывающихся окон, одновременно присут-ствующих на экране монитора29. В состав стандартных приложений Windows 1.0 были включены программа управления файлами (MS-DOS Executive), календарь, картотека, записная книжка, калькулятор, часы, текстовый редактор, графический растровый редактор и программа те-лекоммуникационной связи. В системе реализована поддержка 256 цве-тов, изменения размеров окон и зарезервированной области минимизи-рованных программ (первоначальное представление панели задач). Из-за существенных аппаратных и программных ограничений работу сис-темы нельзя было считать эффективной, хотя она и позволяла пользо-вателям переключаться с одной программы на другую без их переза-грузки.

• Windows 2.0 − вторая версия системы, выпущенная 2 апреля 1987 года (известна также как Windows 2.0/286, так как была ориентирована на процессор 80286). В том же году, но чуть позже, была реализована вер-сия Windows 2.0/386, ориентированная на расширенный режим процес-сора 80386. Windows 2.0 включала в свой состав такой же набор стан-дартных приложений, что и Windows 1.0, однако содержала множество усовершенствований в управлении. В частности, система обеспечивала графический интерфейс пользователя (Graphical User Interface − GUI), позволяющий частично перекрывать окна, т.е. располагать их “каска-дом”, перемещать окна в любое место экрана, использовать так назы-ваемые горячие клавиши (hot keys) − комбинации клавиш − для выпол-нения наиболее часто используемых операций Windows. Система по-зволяла выполнять обмен данными между выполняющимися приложе-ниями с помощью программно реализованного механизма динамиче-ского обмена (Dynamic Data Exchange − DDE). Кроме того, ориентация системы на современный для того времени процессор 80286/386 позво-лила ей использовать расширенные возможности управления памятью. Именно Windows 2.0 стала рассматриваться многими программистами

29 Следует отметить, что слово windows переводится с англ. как “окна”, т.е. Microsoft пред-ставила в качестве названия своей операционной системы основную особенность ее поль-зовательского интерфейса – многооконность.

115

как вполне приемлемая операционная система для разработки своих первых Windows-программ.

• Windows 3.0 − третья версия системы, выпущенная 22 мая 1990 года. Представляла значительный шаг вперед по сравнению с предшест-вующими версиями Windows, поскольку ориентировалась на процессор 80386 с 32-разрядной адресацией. Новые возможности управления в системе представлены диспетчером программ (Program Manager), дис-петчером файлов (File Manager), диспетчером печати (Print Manager) и улучшенным набором цветных пиктограмм (иконок). Дополнительно в системе была полностью переписана среда для разработки приложений, использующих модульные виртуальные драйверы устройств (VxD), а также реализована собственная поддержка приложений, запущенных в расширенной памяти, и обеспечена вытесняющая (приоритетная) мно-гозадачность для программ MS-DOS. Однако в Windows 3.0 явно не-достаточно были представлены средства мультимедийной и сетевой поддержки и, кроме того, она содержала ряд ошибок, потребовавших срочного исправления, что и было сделано в ближайшей модификации данной версии системы.

• Windows 3.1 − модификация третьей версии системы, выпущенная 6 апреля 1992 года. Наиболее популярная (до появления Windows 95) версия Windows, которую использовали миллионы зарегистрированных пользователей. В данной версии были введены широкие возможности для использования шрифтов True Type (“истинная печать”), что позво-лило решать задачи сложной обработки текстов, а также была пред-ставлена встроенная мультимедийная поддержка, включающая средст-ва обработки аудио- и видео-файлов. Встроенная поддержка компью-терных сетей в Windows 3.1 отсутствовала, но она была реализована в сетевой версии системы − Windows for Workgroups 3.1 (Windows для рабочих групп 3.1), выпущенной 27 октября 1992 года. Сетевая под-держка была существенно улучшена в версии системы Windows for Workgroups 3.11, выпущенной 15 февраля 1993 года. Эта версия обес-печивает организацию так называемых одноранговых “рабочих групп” и сетевое информационное взаимодействие между членами одной группы. В то же время, данная версия системы не содержала встроен-ных средств доступа к глобальной сети Internet через модем, подклю-ченный к телефонной линии, что вынуждало пользователей прибегать к помощи программ, разработанных сторонними фирмами. При этом по-добные программы часто конфликтовали с собственными программами Windows.

• Windows NT 3.1 − новая операционная система, выпущенная в конце июля 1993 года. Пользовательский интерфейс системы подобен интер-фейсу Windows 3.1 (этот факт нашел отражение в номере версии). Бук-вы “NT” в названии означают New Technology − новая технология. Win-

116

dows NT 3.1 стала первой операционной системой фирмы Microsoft, ко-торая поддерживает корпоративные приложения, разработанные в со-ответствии с технологией “клиент-сервер”. При этом использовались две различные редакции операционной системы: на рабочих станциях (клиентах) − Windows NT 3.1, на сервере − Windows NT Advanced Server 3.1. Начало работ по созданию Windows NT приходится на осень 1988 года. Именно в это время руководство фирмы Microsoft пригласило на работу Дэвида Катлера (David Cutler) и предложило ему возглавить новый проект. До этого Катлер, будучи главным консультантом по разработке программного обеспечения фирмы DEC, на протяжении 17 лет участ-вовал в создании таких известных операционных систем, как RSX-11M (для 16-разрядных мини-компьютеров семейства PDP-11) и VAX/VMS (для 32-разрядных супермини-компьютеров семейства VAX-11), а так-же компиляторов языков программирования VAX-11 PL/I и VAX-11 C. Windows NT, в отличие от Windows 3.1, является полностью 32-разрядной операционной системой, способной поддерживать 16-разрядные приложения как MS-DOS и Windows 3.1, так и OS/2. В Win-dows NT представлен Win32 API − интерфейс прикладного программи-рования, открывший для вновь создаваемых приложений расширенные возможности операционной системы (в частности, средства для органи-зации многопотоковых процессов и синхронизации их выполнения). Новая операционная система обеспечивала более надежную защиту выполняющихся программ и поддержку симметричных многопроцес-сорных компьютерных архитектур, имела развитые встроенные сетевые средства и эффективную файловую систему NTFS. Архитектура Win-dows NT основывается на концепции микроядра, позволившей реализо-вать приоритетную (вытесняющую) многозадачность, подобно тому, как это сделано в Unix. Разработка этой системы стала одной из важ-нейших вех на историческом пути развития операционных систем фир-мы Microsoft.

• Windows NT 3.5 − новая версия системы, выпущенная 6 сентября 1994 года. Эта версия системы так же, как и первоначальная, была представ-лена двумя различными редакциями, названными Windows NT 3.5 Workstation и Windows NT 3.5 Server соответственно. Содержала мно-жество улучшений (например, поддерживала длинные имена файлов и графический стандарт OpenGL) и, кроме того, имела общую произво-дительность на 50 % выше, чем у Windows NT 3.1. Данная версия сис-темы позволила фирме Microsoft улучшить свои позиции на рынке про-граммного обеспечения для серверных приложений, потеснив извест-ную фирму Novell, поставляющую в то время сетевую операционную систему Novell NetWare 3.12.

117

• Windows NT 3.51 − модификация (update) системы, выпущенная в июне 1995 года. Основная причина ее появления заключается в необходимо-сти поддержки приложений, разработанных для операционной системы Windows 95.

• Windows 95 − новая операционная система, выпущенная 24 августа 1995 года. Кардинально отличается от предшествующих версий Win-dows 3.1 и Windows for Workgroups 3.1. В этой системе реализована концепция виртуальной машины, т.е. вычислительной среды, обеспечи-ваемой операционной системой для выполнения приложений пользова-теля. При этом могут использоваться два типа виртуальных машин: системная виртуальная машина, работающая постоянно и выполняю-щая приложения Windows, и виртуальная машина DOS, создаваемая для выполнения запущенных программ MS-DOS. Под управлением Windows 95 может создаваться только одна системная виртуальная ма-шина, а виртуальных машин DOS может быть множество − по числу запущенных программ [48]. Помимо архитектурных отличий, в Win-dows 95 был представлен новый GUI, а также реализован стандарт “Plug and Play” (“Вставляй и играй”) для конфигурирования внешних устройств компьютера. Усовершенствований и новых возможностей в данной системе было множество, она пришлась “по вкусу” большинст-ву пользователей персональных компьютеров и легко побила рекорд по числу продаж в течение первых трех месяцев после выпуска, ранее принадлежавший Windows 3.0. Всего в 1995 году было продано около 50 млн. копий Windows 95, а через год это количество уже составляло более 132 млн. легальных копий системы. Вслед за оригинальной версией Windows 95 на протяжении года были выпущены два так называемых “релиза” системы − Windows 95 Service Release 1 (95a) и Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2, 95b). В ча-стности, второй релиз интегрировал в своем составе Microsoft Internet Explorer и обеспечивал работу с новой файловой системой FAT-32.

• Windows NT 4.0 − новая версия Windows NT, выпущенная 24 августа 1996 года, т.е. спустя год после выхода Windows 95, и имеющая анало-гичный интерфейс пользователя. По-прежнему, главный вектор разви-тия и усовершенствования системы направлен на обеспечение надеж-ного и эффективного сетевого взаимодействия; в частности, в данной версии системы обеспечен инструментарий для создания и управления корпоративными сетями intranet, а также представлен интегрирован-ный Web-сервер (Internet Information Server − IIS).

• Windows 98 − модернизированный вариант Windows 95, выпущенный 25 июня 1998 года (как результат “трехлетней работы над ошибками”). Фактически, Windows 98 рассматривается фирмой Microsoft как новая операционная система, полностью ориентированная на конечного поль-зователя. За счет оптимизации функций ядра системы значительно по-

118

вышены ее быстродействие (почти на 25 %) и надежность по сравне-нию с Windows 95. Повышению надежности системы способствует ис-пользование специальных служебных программ, автоматически выпол-няющих проверку состояния важнейших системных файлов и целост-ности структур файловой системы (после некорректного завершения работы с системой), контроль состояния системного реестра и устране-ние обнаруженных в нем ошибок при каждой загрузке операционной системы. Защита от сбоев реализована по “образу и подобию” Windows NT, позволяя по нажатию Ctrl+Alt+Del получать доступ к списку запу-щенных задач, выбирать в нем и отменять выполнение задачи, привед-шей к критической ситуации − “зависанию” системы. Существенно расширена номенклатура поддерживаемых внешних уст-ройств путем добавления более 1300 драйверов новых устройств. В ча-стности, обеспечена поддержка DVD-ROM и USB-устройств (Universal Serial Bus − универсальная последовательная шина). Устранены про-блемы при работе с устройствами, поддерживающими стандарт под-ключения SCSI (Small Computer System Interface − интерфейс малых компьютерных систем), которые имелись в Windows 95. Кроме того, в Windows 98 успешно реализована известная технология APM (Advanced Power Management − усовершенствованное управление питанием), позволяющая компьютеру работать в режиме пониженного расхода электроэнергии. В Windows 98 используется новая файловая система FAT-32, которая сменила устаревшую FAT-16. FAT-32 более эффективно распределяет пространство жесткого диска (за счет использования 4-байтового эле-мента FAT удается сэкономить 20…35 % общего объема диска). Это позволяет также не разбивать большой винчестерский диск (емкостью более 1024 Мбайт) на несколько логических дисков. Следует отметить, что Windows 98 поддерживает и FAT-16, а переход к новой FAT-32 осуществляется путем использования встроенной утилиты преобразо-вания файловой системы без переформатирования диска; обратное пре-образование (FAT-32 → FAT-16) не поддерживается. Еще одно сущест-венное изменение, относящееся к файловой системе, состоит в том, что корневой каталог, имевший ранее фиксированный размер (зависящий от объема диска) и строго определенное место на диске, теперь можно при необходимости наращивать подобно подкаталогу. 5 мая 1999 года выпущена Windows 98 SE (Second Edition − вторая ре-дакция), в которой устранены обнаруженные ошибки и сделаны неко-торые улучшения Windows 98. В частности, в состав Windows 98 SE были включены Internet Explorer 5 (для обеспечения эффективной ра-боты в глобальной компьютерной сети Internet) и NetMeeting 3.0 (для более простой организации видеоконференций с использованием Inter-net).

119

• Windows 2000 − выпущена 17 февраля 2000 года. Первоначально пла-нировалась фирмой Microsoft на замену операционной системы Win-dows NT 4.0 и имела в связи с этим название “Windows NT 5.0”. Однако впоследствии была представлена как система, призванная сменить од-новременно с Windows NT 4.0 также и Windows 95, 98. В настоящее время имеются следующие четыре версии:

− Professional (профессиональная) − клиентская версия, предна-значенная для использования на сетевых рабочих станциях и ло-кальных компьютерах;

− Server (сервер) − версия системы, предназначенная для органи-зации в небольших подразделениях сервера “уровня входа” (en-try-level), а также файлового сервера, сервера печати или intra-net-сервера;

− Advanced Server (усовершенствованный сервер) − версия систе-мы, предназначенная для организации крупных серверов и сер-веров приложений, а также для построения небольших и сред-них Web-серверов;

− Data Center Server (сервер центра данных) − версия системы, предназначенная для организации работы крупных серверных кластеров (large-scale server clusters);

Основные особенности Windows 2000 связаны с реализацией новых средств защиты данных (на основе протокола Kerberos, разработанного в Массачусетском технологическом институте − MIT, и службы катало-гов Active Directory), усовершенствованных средств симметричной многопроцессорной обработки, встроенных средств удаленного досту-па и других. В настоящее время бóльшая часть пользователей, исполь-зовавших ранее Windows NT, перешли на платформу Windows 2000.

• Windows Millenium Edition (ME) − несколько запоздалая (в связи с вы-ходом в свет Windows 2000) модернизация Windows 98, выпущенная 14 сентября 2000 года и ориентированная, главным образом, на домашних пользователей, по-прежнему использующих Windows 98. Добавлен ряд возможностей, среди которых − новый медиа-проигрыватель, встроен-ная поддержка большего количества типов файлов, многоцветные знач-ки (пиктограммы) и некоторые другие. Особого интереса у IT-профессионалов данная система не вызвала, более того, в их среде она получила титул “худшей операционки” из тех, что были разработаны Microsoft в последние годы [49].

• Windows XP − выпущена 25 октября 2001 года (буквы “XP” являются частью английского слова “experience”, которое переводится как “жиз-ненный опыт, знания”). Windows XP имеет две основные версии: про-фессиональную (Professional Edition) и домашнюю (Home Edition). В свою очередь профессиональная версия представлена тремя вторичны-ми версиями: Media Center Edition, Tablet PC Edition и Windows XP

120

Embedded. Профессиональная версия Windows XP заимствовала луч-шие черты от Windows NT: высокую производительность, приоритет-ную многозадачность, отказоустойчивость, защиту памяти системы. Она предлагает заново спроектированный интерфейс и обеспечивает возможности как для деловой, так и “продвинутой” домашней компью-терной обработки, включая дополнительные настройки для рабочего стола, шифрование файловой системы, восстановление системы и усо-вершенствованные сетевые средства. Домашняя версия Windows XP предлагает непрофессиональным пользователям множество новых воз-можностей: более простой и визуально привлекательный интерфейс (например, многоцветное оформление окон и кнопки округлой формы), мастер установки сети (Network Setup Wizard), проигрыватель медиа-файлов, создатель видеофильмов (Windows Movie Maker), расширенные средства для работы с цифровыми фотографиями.

• Windows Server 2003 − выпущена 24 апреля 2003 года, использует луч-шие решения, реализованные в Windows 2000, и представлена следую-щими четырьмя версиями:

− Windows Server 2003, Standard Edition (стандартная редакция). Надежная сетевая операционная система, ориентированная на использование в небольших компаниях и подразделениях и обеспечивающая: совместное использование (разделение) фай-лов и принтеров, безопасное взаимодействие с Internet, центра-лизованное развертывание настольных приложений.

− Windows Server 2003, Enterprise Edition (промышленная ре-дакция). Полнофункциональная серверная операционная сис-тема универсального назначения, предназначенная для исполь-зования в компаниях и подразделениях любого размера. Обес-печивает одновременное управление несколькими процессора-ми (максимально 8), средства для кластеризации (до 8 узлов и 32 Гбайт памяти), возможность использования 64-разрядного процессора Intel Itanium (до 8 процессоров и 64 Гбайт опера-тивной памяти).

− Windows Server 2003, Datacenter Edition (редакция центра дан-ных). Наиболее мощная и многофункциональная система из всех серверных операционных систем, когда-либо предлагав-шихся фирмой Microsoft. Предназначена для обеспечения ра-боты приложений, требующих максимального уровня масшта-бируемости и доступности. Поддерживает 32 способа симмет-ричной многопроцессорной обработки (SMP) и 64 Гбайта опе-ративной памяти, обеспечивает в качестве стандартных средств как кластеризацию (до 8 узлов), так и сервисы балансирования загрузки (load balancing services), допускает использование на

121

64-разрядных вычислительных платформах с поддержкой 64 процессоров и 512 Гбайт оперативной памяти.

− Windows Server 2003, Web Edition (редакция Web). Система спроектирована, главным образом, как Web-сервер на базе IIS версии 6.0, обеспечивающий легкость развертывания и управ-ления Web-службами и приложениями. Может служить плат-формой для быстрой разработки Web-приложений и XML Web-служб, использующих технологию ASP.NET − ключевой ком-понент рабочей среды .NET.

Обзор основных особенностей Windows

Наиболее важными особенностями операционных систем семейства Win-dows являются:

• Графический интерфейс пользователя (Graphical User Interface − GUI). Характерной чертой GUI является полный отказ от непосредст-венного ввода командной строки. Пользователь “общается” с системой путем выбора команд меню или графических символов (значков и/или ярлыков) соответствующих программ и файлов данных с помощью ма-нипулятора “мышь”. Для идентификации различных информационных объектов, представ-ленных в системе (программ, файлов данных, папок и т.п.) используют-ся значки и ярлыки. Значок − пиктографическое (т.е. в виде миниатюр-ного рисунка) представление информационного объекта. Манипуляции со значком равносильны действиям с самим информационным объек-том. Например, удаление значка, представляющего некоторый файл, приводит к удалению самого файла. Ярлык также является пиктограммой, представляющей ссылку на неко-торый информационный объект. Манипуляции с ярлыком не затраги-вают самого объекта, например, удаление ярлыка не приводит к удале-нию соответствующего файла. Внешне ярлык отличается от значка на-личием изогнутой стрелки, представленной в левом нижнем углу пик-тограммы. На диске ярлык представлен файлом небольшого размера (как правило, менее 1K байта), имеющим расширение имени lnk (от англ. link − связь). Окно (window) − важнейшее понятие GUI. Почти каждая программа, разработанная для использования в Windows, ассоциируется с некото-рым окном, которое используется для отображения как данных, выво-димых программой, так и данных, вводимых пользователем. Для про-грамм, выполняющихся в так называемом консольном режиме (напри-мер, для программ разработанных в MS-DOS), также предоставляется окно (консольное окно), в котором может вводиться и отображаться алфавитно-цифровая информация.

122

В Windows могут использоваться окна нескольких классов окон, среди которых представлены основное (обрамленное) окно и различные виды диалоговых окон. Более подробно различные классы окон рассмотрены ниже.

• Многозадачный режим работы. Возможность независимого запуска и параллельного выполнения нескольких программ. Более того, возможен независимый запуск нескольких экземпляров одной и той же програм-мы. Каждая запущенная пользователем программа представлена на па-нели задач соответствующей кнопкой, позволяющей выполнять пере-ключение с одной задачи на другую. В современных версиях Windows многозадачный режим работы осно-вывается на таких базовых понятиях, как процесс и поток. Процесс можно определить как выполняющуюся программу. Поток (иногда го-ворят − нить) представляет отдельную часть кода, т.е. процесс может содержать несколько потоков, допускающих параллельное выполнение.

• Интерфейс графических устройств (Graphics Device Interface − GDI). Windows предоставляет подмножество API, обеспечивающее поддерж-ку аппаратно-независимой графики. Благодаря GDI Windows-приложения могут выполняться на компьютерах различной конфигура-ции.

• Интегрированная среда обработки. В состав системы входят средст-ва, необходимые для ее работы и обслуживания, а также для запуска Windows-приложений и DOS-программ.

Понятие окна. Классификация окон

Окно − основной графический объект операционной системы Windows. Обычно окно представляет собой прямоугольную область экрана монитора, ко-торая может содержать пользовательскую область, предназначенную для ото-бражения информации и включающую также множество различных элементов управления, c помощью которых пользователь взаимодействует с программой. В качестве примера окна с необходимыми пояснениями на рис. 4.11 показано окно программы Блокнот − простейшего текстового редактора Windows. В заголовке окна отображается информация, идентифицирующая запу-щенное приложение, и возможно файл или документ, открытый данным при-ложением. В левом конце заголовка находится пиктограмма системного меню, содержащая команды для манипуляции с окном: переместить, свернуть, изме-нить размер, закрыть окно и другие. Следует отметить, что закрытие окна озна-чает окончание работы с приложением. В правом конце заголовка расположена группа из трех кнопок, обеспечивающих возможности минимизации (до разме-ров кнопки на панели задач), максимизации (до размеров полного экрана мони-тора) и закрытия окна. После того, как нажата кнопка максимизации, изменяет-

123

ся ее вид, означающий, что теперь ее можно использовать для возврата окна к его первоначальному (нормальному) размеру.

Выбор любой из команд главного меню окна приводит, как правило, к по-явлению ниспадающего (pull-down) меню. В свою очередь, некоторые из ко-манд ниспадающего меню, помеченные символом 4, приводят к появлению ниспадающего меню следующего уровня. Команды ниспадающего меню, за-канчивающиеся многоточием (…), приводят к появлению диалогового окна, по-зволяющего задать дополнительные параметры, требующиеся для выполнения команды.

Рис. 4.11 Окно редактора текстов Блокнот

Если размер отображаемого текста или изображения превосходит разме-ры рабочей области окна, то можно воспользоваться полосками прокрутки (скроллинга), содержащими кнопки прокрутки и бегунок. Бегунок показывает относительное местоположение отображаемого фрагмента текста или изобра-жения в документе. Кроме того, захватив бегунок левой кнопкой мыши, можно выполнить быстрое позиционирование в документе.

API Windows обеспечивает средства для создания окон различных клас-сов. Кроме того, в рамках одного класса можно менять стиль окна. Большинст-во приложений в Windows использует обрамленное окно (framed window), кото-рое выступает в качестве контейнера для области (окна) просмотра (view), пане-

Рабочая область

ЗаголовокМеню Кнопки минимизации,

максимизации изакрытия окна

Пиктограмма системного меню

Рамка

Горизонтальная полоса прокрутки

Вертикальная

полоса прокрутки

Кнопка прокрутки

Бегунок

124

лей инструментов, меню и других объектов. На основе класса обрамленного ок-на разработана архитектура приложения “документ/вид” с однодокументным (Single Document Interface − SDI) и многодокументным (Multiple Document Inter-face − MDI) интерфейсом. SDI обычно поддерживает только одну область про-смотра (см. выше рис. 4.11), MDI − несколько областей просмотра, по одному для каждого открытого приложением документа (рис. 4.12).

Рис. 4.12 Процессор электронных таблиц Microsoft Excel как пример мощного приложения, использующего MDI

Архитектура приложения “документ/вид” использует такие основные по-

нятия как документ и область просмотра. Документ − это данные, связанные с приложением; при этом документ относится к любым данным, не ограничива-ясь только текстовыми файлами. Например, это может быть растровый рисунок или рабочая книга электронной таблицы. Область просмотра соответствует виду документа, т.е. она фактически содержит физическое представление дан-ных. Отображение документа в области просмотра неоднозначно и не ограни-чено одним лишь экранным представлением. Например, при печати документа определяется совершенно другая область просмотра. Таким образом, документ содержит “чистые” данные, а область просмотра определяет конкретный способ их представления [50].

125

Создание приложений в соответствии с архитектурой “документ/вид” ав-томатизировано в Windows с помощью средств, обеспечиваемых системами программирования (например, Microsoft Application Wizard и MFC − Мастер приложений и библиотека базовых классов, соответственно, обеспечиваемые системой программирования языка Visual C++, входящей в состав Microsoft Visual Studio 6.0). Библиотека MFC (Microsoft Foundation Classes − базовые классы Microsoft) позволяет также создавать окна, не связанные с архитектурой “документ/вид” (рис. 4.13).

Рис. 4.13 Пример окна, созданного с помощью библиотеки MFC

Другим часто используемым в Windows типом окна является диалоговое

окно. Диалоговые окна − важный компонент GUI, используемый в большинстве приложений Windows и предоставляющий пользователю возможность взаимо-действия с приложением. Существует два основных вида диалоговых окон: мо-дальные и немодальные. Модальное диалоговое окно перехватывает управле-ние у своего родительского окна, временно блокируя его работу, и удерживает управление вплоть до своего закрытия. Пример модального диалогового окна, показанный на рис. 4.14, содержит ряд распространенных элементов управле-ния Windows, включая вращатели (spiners), селекторные кнопки (radio buttons), переключатели (check boxes) и другие. Приложение может также вывести на эк-

126

ран немодальное диалоговое окно и продолжать выполнять другие задачи, не закрывая диалога.

Рис. 4.14 Пример модального диалогового окна

Помимо перечисленных выше типов окон, в Windows используются и

другие их разновидности. Например, часто прибегают к окну с закладками (вкладками), один из примеров которого представлен на рис. 4.15. В окне с за-кладками представлены несколько страниц, каждая из которых имеет собствен-ный набор элементов управления. У всех страниц имеется выступающий коре-шок, щелкнув по которому можно открыть соответствующую страницу.

Элементы управления Windows

Элемент управления (control) − это дочернее окно, которое приложение использует для взаимодействия с другим окном, обеспечивает простейшие опе-рации ввода-вывода. В большинстве случаев элементы управления используют-ся в диалоговых окнах, хотя их можно использовать и при работе с окнами дру-гих типов.

Кнопки относятся к наиболее распространенным элементам управления в Windows-приложениях. Они отличаются большим разнообразием, однако чаще других используются основные типы кнопок, перечисленные ниже.

Вращатель (счетчик) − элемент управления Windows, представленный парой связанных кнопок с изображением стрелок. Назначение вращателя − сбор информации от пользователя, который с помощью кнопок имеет возмож-ность увеличивать или уменьшать внутреннее значение (текущее положение) вращателя, т.е. “прокручивать” значения. Например, в диалоговом окне, пока-занном на рис. 4.14, с помощью больших кнопок вращателя “Вперед-Назад” можно прокручивать названия изделий (фактически значение вращателя опре-

127

деляет номер, или индекс, соответствующего изделия в массиве изделий), а с помощью “малых” вращателей можно изменять значения размеров изделия.

Рис. 4.15 Пример диалогового окна с закладками

Селекторная кнопка (кнопка выбора) − элемент управления Windows, представленный небольшим кружком. Селекторная кнопка обеспечивает воз-можность выбора одного из нескольких взаимоисключающих вариантов. На-пример, в диалоговом окне, приведенном на рис. 4.14, с помощью группы се-лекторных кнопок можно выбрать одну ориентацию изделия из восьми возмож-ных. Переключатель (флажок) − элемент управления Windows, представлен-ный небольшим квадратом, в котором может быть выставлена пометка (напри-мер, “галочка”). Переключатели используются, если необходимо выбрать не-сколько вариантов, не являющихся взаимоисключающими. В диалоговом окне на рис. 4.14 представлены четыре переключателя: “Нестандартный типораз-мер”, “Свес крышки”, “Пластик” и “Карниз”. Нажимаемая кнопка − элемент управления Windows, представленный экранной кнопкой (push button), которая посылает приложению команду поль-зователя. В диалоговом окне на рис. 4.14 использованы три экранные кнопки: “ОК”, “Отмена” и “Помощь”.

128

Групповой блок − элемент управления Windows, представленный види-мой прямоугольной рамкой с текстом. В диалоговом окне на рис. 4.14 группо-вой блок “Размеры (мм)” объединяет в группу поля ввода и связанные с ними вращатели. Кроме того, с помощью групповых блоков оформлены селекторные кнопки диалога.

К отмеченным выше стандартным элементам управления необходимо до-бавить также следующие часто используемые элементы [51]:

− текстовое поле − простейший редактор, позволяющий пользователю просматривать и редактировать поле. Возможность редактирования может быть отключена установкой атрибута поля “Только для чтения”;

− список − элемент управления, отображающий список некоторых эле-ментов (например, имен файлов) и позволяющий выбрать один или несколько подобных элементов;

− комбинированный список − элемент управления, объединяющий спи-сок и однострочное текстовое поле. Обеспечивает размещение выбранного эле-мента в текстовое поле и его редактирование;

− статический элемент − элемент управления, исключающий прямое воздействие на него со стороны пользователя, обычно применяется в качестве надписи для других элементов;

− изменяемый список − специальный тип списка, позволяющий перетас-кивать его элементы, меняя порядок отображения;

− заголовок − дочернее окно, обычно располагаемое над столбцами тек-ста или цифр, содержит заголовок для каждого столбца и позволяет изменять ширину столбцов;

− просмотр списка − окно, использующееся для просмотра элементов списка и позволяющее, помимо текста, отображать значки, связанные с элемен-тами списка (рис. 4.16, справа);

− строка состояния − горизонтальное окно в нижней части родитель-ского окна, служащее для отображения различной информации приложения, например, подсказки для выбранного пункта меню;

− панель инструментов − дочернее окно, состоящее из набора кнопок быстрого вызова тех или иных команд (рис. 4.16, вверху);

− подсказка − небольшое всплывающее окно с текстом краткого описа-ния некоторого элемента управления, например, кнопки;

− просмотр дерева − окно, использующееся для просмотра данных, ор-ганизованных в виде дерева, например содержимого диска или каталога. При этом каждый элемент дерева может, помимо текста, иметь и некоторое растро-вое изображение (рис. 4.16, слева);

− окно свойств − диалоговое окно, позволяющее просмотреть и редакти-ровать свойства некоторого объекта (рис. 4.17). Доступ к группам параметров объекта осуществляется с помощью закладок. На базе данного окна строятся так называемые мастера (wizard), осуществляющие переход от одного этапа за-

129

проса пользователя к последующему или предыдущему по нажатию соответст-вующих кнопок;

− текстовое поле с форматированием − окно редактирования, обеспе-чивающее возможность управления шрифтами, цветом и выравниваем абзацев, а также поддерживающее работу с внедренными объектами (OLE − Object Link-ing and Embedding);

− индикатор − окно, содержащее средство индикации в виде прямо-угольной полоски, которая постепенно заполняется от начала до завершения операции;

− просмотр видеоклипов − окно, позволяющее просматривать видеокли-пы формата AVI (Audio Video Interleaved − чередующиеся аудио и видеодан-ные), но без звука;

− список рисунков − вспомогательный элемент управления, представлен-ный массивом растровых изображений одинакового размера и обеспечивающий доступ к каждому изображению по индексу.

Рис. 4.16 Окно приложения “Проводник”, содержащее дочерние окна для просмотра списка и дерева, инструментальное меню

Необходимо отметить один терминологический нюанс, касающийся эле-

ментов управления Windows [52]. Иногда при описании GUI делаются ссылки как на стандартные (standard), так и на общие (common) элементы управления.

Просмотр списка Просмотр дерева

Панель инструментов

130

При этом под стандартными обычно понимают 16-битные элементы управле-ния, которые были реализованы еще в Windows 3.x; к ним относятся большин-ство нажимаемых кнопок, полосы прокрутки, окна стандартных списков, часть инструментальных панелей, обычные поля редактирования и некоторые другие. Общие элементы управления являются 32-битными элементами, разработанны-ми позднее в среде Windows 95. Они представлены просматриваемыми спи-сками (см. выше рис. 4.16), окнами редактирования с форматированием и мно-жеством других элементов, совместно образующими привлекательный интер-фейс в стиле Windows 95. Иногда в руководствах пользователя по современным операционным системам Windows стандартные и общие элементы управления называют стандартизованными, а не стандартными (поскольку официального стандарта для них пока еще не существует).

Рис. 4.17 Окно свойств с закладками

Помимо перечисленных выше стандартизованных элементов, Windows-приложение может использовать и более “экзотические” виды элементов управ-ления, например, календарь (рис. 4.18).

Кроме того, в операционных системах Windows ME и Windows XP (Home Edition), ориентированных на домашних пользователей, интерфейс отличается от классически выдержанного стиля, представленного в Windows 95/98/2000. “Домашний” интерфейс стал красочнее (полноцветнее), кнопки приобрели ок-руглую форму, а окна − закругленные углы. Однако, эти новшества, вызвавшие

131

бурный восторг у непрофессиональных пользователей, были весьма сдержанно, если не сказать скептически, встречены в среде IT-профессионалов.

Рис. 4.18 Диалоговое окно, содержащее элемент управления “Календарь”

4.6.3 Документо-ориентированный подход к обработке информации в Windows

В процессе эволюции операционной системы Windows окончательно сформировался документо-ориентированный подход к обработке информации, который выражается в переносе фокуса внимания пользователей с программ на обрабатываемые ими документы. Внешним проявлением этого является, преж-де всего, использование новой терминологии Windows (файлы данных стали на-зываться документами, каталоги − папками, начальный экран Windows − рабо-чим столом и т.д.) и соответствующих значков и ярлыков, представляющих раз-личные информационные объекты.

132

Более глубокое, внутреннее, проявление подобного подхода представля-ется включением в Windows механизмов, реализованных программными моду-лями системы, для поддержки разработки и сопровождения сложных докумен-тов (и, прежде всего, OLE-автоматизации30). Технология OLE представляет собой механизм доступа к объектам, яв-ляющимися составной частью текущего документа, но расположенными за его пределами. Вместо этого в документе находится информация о том, где на дис-ке размещены используемые объекты. С точки зрения производительности обновление документа из внешнего источника занимает больше времени, чем в случае, когда копия непосредствен-но находится в самом документе. Однако OLE позволяет поддерживать доку-мент в актуальном состоянии в случае, когда внедренные объекты, размещен-ные за пределами документа, подвергаются изменениям. В этом случае не по-требуется тратить время на копирование и выполнение вставки объекта в доку-мент. Это преимущество особенно заметно, если один и тот же объект внедрен в несколько различных документов.

Кроме того, использование технологии OLE потенциально сохраняет дис-ковое пространство. Действительно, если компоновать сложный документ про-стым копированием объекта (например, растрового рисунка) в документ, это приведет к появлению двух экземпляров объекта − оригинала изображения и его копии в документе. В то же время OLE поддерживает только один экземп-ляр объекта − оригинал изображения. В документе присутствует информация, представляющая связь с оригиналом объекта, но объем этой информации го-раздо меньше, чем размер оригинала объекта.

С другой стороны, использование OLE может слегка уменьшить общую производительность системы, особенно на компьютере с недостаточно быстры-ми ЦП и жестким диском. Это связано с тем, что при открытии документа по-требуется дополнительно выполнить проверку связей с объектами, загрузку объектов в память и их отображение на экране монитора.

Следует также отметить, что документы, созданные с использованием технологии OLE, обладают меньшей переносимостью (мобильностью). Это обусловлено тем, что при передаче основного документа требуется обеспечить и все файлы, содержащие внедренные в него объекты. Кроме того, при перено-се копий внедренных объектов в другую систему приходится размещать связан-ные файлы на тех же дисках и в тех же папках, что и в исходной системе. В противном случае связи, представленные в документе, в новой системе будут неточны и связанные объекты не загрузятся.

При описании механизмов OLE-технологии часто используют такие тер-мины, как OLE-сервер и OLE-клиент, которые нуждаются в кратком пояснении. Итак, необходимо иметь в виду, что объекты − это достаточно специфические образования, создавать которые могут не всякие приложения, разработанные 30 OLE − аббревиатура от англ. Object Linking and Embedding, что переводится как “встраи-вание (иногда говорят − погружение) и связывание объекта”.

133

для работы под управлением Windows. Приложения, которые способны созда-вать объекты, предназначенные для передачи в другие приложения, называются OLE-серверами. Приложения, которые позволяют внедрять или связывать чу-жие объекты в свои документы, называются OLE-клиентами. Например, при вставке рисунка в текстовый документ графический редактор выступает в роли OLE-сервера, а текстовый редактор − в роли OLE-клиента.

4.6.4 Использование DOS-программ в Windows

Пользователи, проработавшие некоторое время в операционной системе DOS, знают, наверное, как непросто конфигурировать некоторые программы, разработанные для выполнения в этой системе. Кроме того, создав оптималь-ные условия для выполнения одной программы, нельзя было гарантировать, что это не скажется пагубно на выполнении других программ, т.е. настройки неко-торых программ могли конфликтовать друг с другом. Разработчики Windows постарались обеспечить для запуска и использо-вания DOS-программ такие условия, которые в подавляющем большинстве слу-чаев не требуют участия пользователя в настройке программ. В версиях Win-dows, предшествующих Windows 95, для корректного запуска любой DOS-программы требовалось создать PIF (Program Information File − файл информа-ции о программе). Для этой цели ранее использовался специальный редактор PIF, содержащийся в программной группе Главная.

Необходимость использования PIF в Windows 95 и более поздних версиях завуалирована, однако эти файлы по-прежнему применяются. Редактор PIF бо-лее не включается в состав Windows, поскольку для внесения изменений в PIF используется диалоговое окно Свойства (см. выше рис. 4.17). Кратко рассмот-рим процедуру создания PIF в Windows 95 [48].

При запуске DOS-программы (или любого другого исполняемого файла DOS, например, пакетного командного файла) Windows 95 просматривает пап-ку, содержащую эту программу, с целью нахождения там соответствующего PIF. Если PIF не обнаружен, то он создается автоматически.

При создании PIF Windows 95, прежде всего, проверяет файл APPS.INF, который находится в папке \WINDOWS\INF, на предмет наличия в нем данных об исполняемом файле. В этом файле содержатся конфигурационные парамет-ры для более чем 400 распространенных DOS-программ. Если данные о про-грамме в APPS.INF имеются, то они используются при создании PIF. Если же нужная информация о файле не найдена, то на основе файла Сеанс MS-DOS.pif (MS-DOS Prompt.pif), находящегося в папке \WINDOWS\Главное ме-ню\Программы (\WINDOWS\START MENU\PROGRAMS) создается PIF по умолчанию.

PIF, автоматически созданный Windows 95, помещается в ту же папку, где находится соответствующий исполняемый файл DOS. При этом ему дается имя исполняемого файла, но с расширением INF.

134

Ранее созданный PIF можно модифицировать. Для этого можно использо-вать один из следующих способов:

− щелкнуть правой кнопкой мыши на пиктограмме исполняемого файла или на самом PIF, а затем выбрать в контекстном меню пункт Свойства (Properties);

− во время выполнения DOS-программы щелкнуть правой кнопкой мыши на заголовке окна программы и затем выбрать в контекстном меню пункт Свойства (Properties).

Как отмечалось выше, Windows создает виртуальную DOS-машину для каждой запущенной DOS-программы. При этом параметры, содержащиеся в PIF, определяют способы создания Windows такой виртуальной машины, т.е. они фактически управляют вычислительной средой для DOS-программы.

Наиболее простой способ запуска DOS-программы или внутренней ко-манды DOS заключается в вызове сеанса MS-DOS, который представлен соот-ветствующим окном (рис. 4.19). В инструментальной панели окна представлены кнопки, позволяющие осуществлять ряд базовых функций Windows: копирова-ние, вставку, изменение шрифта и размеров окна и т.п.

Рис. 4.19 Окно сеанса MS-DOS в Windows 98 Для вызова сеанса MS-DOS необходимо сначала нажать кнопку Пуск, расположенную в левом конце Панели задач, затем в открывшемся меню вы-брать команду Программы 4 и, наконец, в подменю − команду Сеанс MS- DOS. Пользователи могут настроить основные параметры сеанса MS-DOS, ис-пользовав для этой диалоговое окно Свойства: Сеанс MS-DOS, которое появ-ляется, если щелкнуть правой кнопкой мыши на заголовке окна (см. выше рис.

135

4.19) и выбрать в контекстном меню команду Свойства (то же самое можно выполнить и с командой Сеанс MS-DOS).

4.6.5 Служебные программы Windows

В составе системного программного обеспечения выделяют так называе-мые служебные, или сервисные, программы (утилиты), которые, с одной сторо-ны, не являются неотъемлемой частью операционных систем, а с другой − рас-ширяют и дополняют функциональность операционных систем. Ниже кратко рассмотрены некоторые служебные программы Windows и выполняемые ими функции.

Вызов нескольких служебных программ Windows можно осуществить с помощью выбора следующих команд: Пуск8Программы8Стандартные 8Служебные. Программы, включенные в эту категорию, поставляются в со-ставе дистрибутивного набора Windows и устанавливаются вместе с операци-онной системой (полностью или выборочно).

Дефрагментация диска − служебная процедура, оптимизирующая ис-пользование жесткого диска компьютера. Доступ к файлам на дефрагментиро-ванном диске выполняется быстрее, чем на фрагментированном. Однако следу-ет отметить, что сама дефрагментация диска − достаточно длительная процеду-ра, заключающаяся в переносе и размещении информации, относящейся к од-ному файлу, в смежных кластерах диска. Кроме того, файлы перемещаются ближе к началу диска, что уменьшает время доступа к ним, способствуя повы-шению быстродействия системы в целом. Применительно к дискам IBM PC-совместимых компьютеров подобная процедура впервые была реализована од-ной из служебных программ пакета Norton Utilities (утилиты Нортона) в опера-ционной системе MS-DOS31.

Проверка диска − служебная процедура, позволяющая выявить и испра-вить ряд ошибок в файловой системе, появление которых обычно связано со сбоями при выполнении операции записи в файлы. Запуск этой процедуры вы-полняется как описано выше. Данная процедура обеспечивает проверку целост-ности файловой системы, которая определяется следующими факторами:

− правильностью имен файлов; − правильностью даты и времени создания файла; − уникальностью имен файлов; − отсутствием файлов с общими кластерами; − отсутствием потерянных кластеров, т.е. кластеров, не принадлежащих ни одному файлу.

31 Программа, входящая в состав пакета Norton Utilities (NU) и выполняющая дефрагмента-цию диска, называется Speed Disk, что можно перевести с английского как “быстрый диск”.

136

Кроме стандартной проверки диска, определяющей целостность файловой системы, может быть выполнена и полная проверка, включающая также про-верку поверхности диска; это позволяет выявить дефектные кластеры диска, т.е. такие кластеры, которые физически не в состоянии хранить записанную инфор-мацию (например, в случае локального повреждения магнитного слоя на по-верхности диска). Процедура полной проверки диска является достаточно дли-тельной, поэтому обычно она выполняется не часто.

Очистка диска − служебная процедура, позволяющая освободить диск от ненужных файлов, которые накапливаются в процессе работы с различными программами (например, временные файлы, создаваемые некоторыми про-граммами). Запуск этой процедуры выполняется аналогично запуску описанных выше процедур. Ненужные файлы в ходе выполнения очистки диска предвари-тельно помещаются в корзину, значок которой размещен на рабочем столе Win-dows. Затем пользователь может окончательно удалить их с диска, очистив кор-зину.

Преобразование в FAT32 − служебная процедура, позволяющая автома-тически преобразовать формат файловой системы из FAT16 в FAT32, если раз-мер жесткого диска превышает 512 Мбайт. Данная процедура может выпол-няться на дисках, уже заполненных информацией. Как правило, при этом вы-свобождается дополнительно 100-200 Мбайт на каждый гигабайт емкости же-сткого диска. Следует отметить, что обратное преобразование данная процеду-ра не выполняет. Кроме того, если диск используется для работы других опера-ционных систем, то преобразование его в новый формат выполнять не следует. Запуск процедуры преобразования выплняется подобно тому, как описано вы-ше.

Форматирование диска − служебная процедура, позволяющая подгото-вить магнитные диски к использованию (см. выше п. 4.2). В результате форма-тирования информация, ранее записанная на диске, теряется. Для запуска про-цедуры форматирования необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши на значке соответствующего диска, а затем в контекстном меню выбрать команду Фор-матировать. Таким способом можно отформатировать как дискеты, так и же-сткие диски, за исключением диска, с которого производилась загрузка опера-ционной системы. Помимо описанного выше способа для форматирования дис-ка можно воспользоваться утилитой FORMAT.COM, запущенной в сеансе MS-DOS.

Вопросы для самопроверки 1. Объяснить, в чем заключается “многослойность” программно-технической организации компьютера. С какой целью используется “многослойная” (мно-гоуровневая) структура программного обеспечения? Что образует верхний программный слой? Нижний программный слой?

137

2. Перечислить основные функции базовой системы ввода-вывода (ROM-BIOS) IBM PC. Что такое программа POST? В чем заключается принцип расширя-мого диагностического ядра, реализованный в программе POST?

3. Что такое драйвер устройства ввода-вывода? Перечислить основные функции драйверов. Перечислить стандартные части драйвера, разработанного для ис-пользования в операционной системе MS-DOS.

4. Перечислить основные составные части (модули) MS-DOS. Какие функции выполняет каждый из модулей MS-DOS?

5. Что такое файловая система? Какие функции выполняет файловая система? Какие составные части образуют файловую систему?

6. Кратко описать логическую структуру a) гибкого магнитного диска (диске-ты); б) жесткого магнитного диска (винчестера). В чем их сходство и отли-чие?

7. Что представляет собой файл с точки зрения хранения информации на диске? Каким образом система осуществляет доступ к информации, хранящейся в файле?

8. Перечислить основные команды MS-DOS для работы с файлами и каталога-ми. Каким образом можно получить краткую справку по той или иной коман-де MS-DOS?

9. Как организовать перенаправление ввода-вывода в MS-DOS? Что такое ин-формационный канал в MS-DOS? С какой целью организуются информаци-онные каналы?

10. Какие задачи решают программы, относящиеся к командным (операцион-ным) оболочкам? Как называлась первая командная оболочка для MS-DOS? Кто ее автор?

11. Перечислить и кратко пояснить, какие критерии могут использоваться для классификации операционных систем? Перечислить основные исторические “вехи” семейства операционных систем Windows. Кратко описать основные особенности операционных систем семейства Windows.

12. Что такое окно с точки зрения пользователя Windows? Какие типы окон ис-пользуются в Windows?

13. Описать элементы основного (обрамленного) окна Windows. Что такое од-нодокументный (SDI) и многодокументный (MDI) интерфейс приложения? Привести примеры приложений с интерфейсом SDI и MDI.

14. Перечислить и кратко описать основные элементы управления Windows. 15. В чем заключается сущность документо-ориентированного подхода к обра-ботке информации в Windows? Что такое OLE-автоматизация и для чего она используется?

16. В чем состоит особенность использования DOS-программ в Windows? Как подготовить DOS-программу к запуску в среде Windows? Каким образом можно настроить параметры сеанса MS-DOS?

17. Что представляют собой служебные программы (утилиты)? Какие функции они выполняют? Какие основные служебные программы используются со-вместно с операционной системой Windows?

138

Библиографический список

1. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образова-ния. Специальность 060800 − Экономика и управление на предприятии (по отраслям) [Электронный ресурс] / Федеральный портал “Российское образование”. Режим досту-па: http://www.edu.ru/db/portal/spe/os/060800_2000.zip, свободный.

2. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образова-ния. Специальность 060500 − Бухгалтерский учет, анализ и аудит [Электронный ре-сурс] / Федеральный портал “Российское образование”. Режим доступа: http://www.edu.ru/db/portal/spe/os/060500_2000.zip, свободный.

3. Примерная программа дисциплины “Информатика” (для направлений: 521100 − Соци-альная работа, 521200 − Социология, 521500 − Менеджмент, 521600 − Экономика, 522000 − Коммерция, 522100 − Аграрная экономика, 522200 − Статистика, 522300 − Информационные системы в экономике, 540300 − Социально-экономические знания), одобренная президиумом Научно-методического совета по информатике и утвержден-ная начальником Управления образовательных программ и стандартов высшего и среднего профессионального образования [Текст] / Москва, 2000. − 14 с.

4. Юзвишин, И.И. Информациология или закономерности информационных процессов и технологий в микро- и макромирах Вселенной [Текст] / И.И. Юзвишин. − 3-е изд., испр. и доп. − М. : Радио и связь, 1996. − 215 с.

5. Поспелов, Д.А. Становление информатики в России [Текст] : сб. “Очерки истории ин-форматики в России” / Ред.-сост. Д.А. Поспелов, Я.И. Фет. − Новосибирск : Науч.-изд. центр ОИГГМ СО РАН, 1998. − 662 с.

6. Мейер, Б. Методы программирования [Текст] : [пер. с франц.] / Б. Мейер, К. Бодуэн. − В 2-х томах. − М. : Мир, 1982. − Т. 1 : 356 с.

7. Бауэр, Ф.Л. Информатика. Вводный курс [Текст] : [пер. с нем.] / Ф.Л. Бауэр, Г. Гооз. − В 2-х частях. − М. : Мир, 1990. − Ч. 1 : 336 с. ; Ч. 2 : 423 с.

8. Семенюк, Э.П. Информатика: достижения, перспективы, возможности [Текст] / Э.П. Семенюк. − М. : Наука, 1988. − 176 с.

9. Урнов, В.А. Преподавание информатики в компьютерном классе [Текст] / В.А. Урнов, Д.Ю. Климов. − М. : Просвещение, 1990. − 226 с.

10. Борковский, А.Б. Англо-русский словарь по программированию и информатике (с толкованиями) [Текст] / А.Б. Борковский. − М. : Рус. яз., 1987. − 335 с.

11. Брой, М. Информатика. Основополагающее введение [Текст] : [пер. с нем.] / М. Брой. − В 4-х частях. − М. : Диалог-МИФИ, 1996. − Ч. 1 : 299 с.

12. Дубова, Н. Очерки истории советской вычислительной техники. Очерк первый: ИТМ и ВТ. Машины 1 и 2 поколений [Текст] / Н. Дубова // Открытые системы. − № 1. − 1999.

13. Дубова, Н. Очерки истории советской вычислительной техники. Очерк второй: Шко-ла Б.И. Рамеева. Универсальные ЭВМ [Текст] / Н. Дубова // Открытые системы. − № 2. − 1999.

14. Кузминский, М. Современные суперкомпьютеры: состояние и перспективы [Текст] / М. Кузминский, Д. Волков // Открытые системы. − № 6. − 1995.

15. Знакомьтесь: компьютер. [Текст] : [пер. с англ.] / Под ред. В.М. Курочкина. − М. : Мир, 1989. − 240 с.

139

16. Язык компьютера. [Текст] : [пер. с англ.] / Под ред. В.М. Курочкина. − М. : Мир, 1989. − 240 с.

17. Татарников, О. К 40-летию микросхемы (краткая хронология ключевых событий компьютерной индустрии) [Текст] / О. Татарников. − Компьютер Пресс. − № 11. − 1998. − С. 9-17.

18. Виртуальный музей отечественной вычислительной техники [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.computer-museum.ru, http://www.icfcst.kiev.ua/museum, сво-бодный.

19. Головкин, Б.А. Параллельные вычислительные системы [Текст] / Б.А. Головкин. − М. : Наука, 1980. − 520 с.

20. Майерс, Г. Архитектура современных ЭВМ [Текст] : [пер. с англ.] / Г. Майерс. − В 2-х кн. − М. : Мир, 1985. − Кн. 1 : 324 с. ; Кн.2 : 312 c.

21. Фомин, С.В. Системы счисления [Текст] : серия “Популярные лекции по математике” / С.В. Фомин. − Вып. 40. − 3-е изд. − М. : Наука, 1975. − 48 с.

22. Шеннон, К. Математическая теория связи [Текст] : [пер. с англ.] / К. Шеннон. − Кн. : Работы по теории информации и кибернетике. − М. : ИЛ, 1963.

23. Хэмминг, Р.В. Теория кодирования и теория информации [Текст] : [пер. с англ.] / Р.В. Хэмминг. − М. : Радио и связь, 1983. − 176 с.

24. Лю, Ю-Ч. Микропроцессоры семейства 8086/8088. Архитектура, программирование и проектирование микрокомпьютерных систем [Текст] : [пер. с англ.] / Ю-Ч. Лю, Г. Гибсон. − М. : Радио и связь, 1987. − 512 с.

25. Спектор, Л. ПК в возрасте 20 лет [Текст] : [пер. с англ.] / Л. Спектор. − Мир ПК. − № 9. − 2001.

26. Ичбиа, Д. Билл Гейтс и сотворение Microsoft [Текст] : [пер. с англ.] / Д. Ичбиа, С. Кнеппер. − Ростов н/Д : Феникс, 1997. − 352 с.

27. Рыбаков, М.А. Анатомия персонального компьютера [Текст] / М.А. Рыбаков. − М. : СП “Интермеханика”, 1990. − 224 с.

28. Нортон, П. Программно-аппаратная организация IBM PC [Текст] : [пер. с англ.] / П. Нортон. − М. : Радио и связь, 1991. − 328 с.

29. Рош, У.Л. Библия по техническому обеспечению Уинна Роша [Текст] : [пер. с англ.] / У.Л. Рош. − Мн. : МХХК “Динамо”, 1992. − 416 с.

30. Фролов, А.В. Аппаратное обеспечение персонального компьютера [Текст] / А.В. Фролов, Г.В. Фролов. − М. : ДИАЛОГ-МИФИ, 1997. − 304 с.

31. Информатика. Базовый курс [Текст] / Симонович С.В. [и др.]. − СПб. : Изд-во “Пи-тер”, 1999. − 640 с.

32. Нортон, П. Работа с жестким диском IBM PC [Текст] : [пер. с англ.] / П. Нортон, Р. Джордейн. − М. : Мир, 1992. − 560 с.

33. Семенов, В. Обеспечение совместимости дисководов DS/DD и DS/HD [Текст] / В. Семенов // Монитор (журнал для программистов-практиков). − № 6. − 1994. − С. 38-39.

34. Джордейн, Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, XT и AT [Текст] : [пер. с англ.] / Р. Джордейн. − М. : Финансы и статистика, 1992. − 544 с.

35. Фролов, А.В. MS-DOS для программиста [Текст] / А.В. Фролов, Г.В. Фролов. − М. : ДИАЛОГ-МИФИ, 1995. − 256 с.

140

36. Лей, Р. Написание драйверов для MS-DOS [Текст] : [пер. с англ.] / Р. Лей и “Уэйт-Груп”. − М.: Мир, 1995. − 527 с.

37. ROM-BIOS [Текст] : Справочное руководство / СПб. : НТК “Программпродукт”, 1992. − 160 с.

38. Экономическая информатика [Текст] / Под ред. П.В. Конюховского, Д.Н. Колесова. − СПб. : Питер, 2001. − 560 с.

39. Брябрин, В.М. Программное обеспечение персональных ЭВМ [Текст] / В.М. Брябрин. − М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. − 272 с.

40. Богумирский, Б.С. MS-DOS 6. Новые возможности для пользователя [Текст] / Б.С. Богумирский. − СПб. : Питер, 1994. − 410 с.

41. Харин, В.Н. Информатика [Текст] : метод. указания к лабораторным занятиям для студентов спец. 060800 − Экономика и управление на предприятиях лесного ком-плекса. Часть II. Подготовка магнитных дисков IBM PC-совместимого компьютера к работе / В.Н. Харин, А.В. Стариков, Г.В. Кулешова ; ВГЛТА. − Воронеж, 1996. − 30 с.

42. Фигурнов, В.Е. IBM PC для пользователя [Текст] / В.Е. Фигурнов. − Изд. 5-е, ис-правл. и доп. − Уфа, 1993. − 352 с.

43. Информация из интерактивного справочника MS-DOS Help [Электронный ресурс] : операционная системы MS-DOS версии 6.22.

44. Харин, В.Н. Информатика [Текст]: метод. указания к лабораторным занятиям для студентов спец. 060800 − Экономика и управление на предприятиях лесного ком-плекса. Часть I. Начальное знакомство с IBM PC-совместимым компьютером / В.Н. Харин, А.В. Стариков, Г.В. Кулешова ; ВГЛТА. − Воронеж, 1996. − 48 с.

45. Харин, В.Н. Информатика [Текст]: метод. указания к лабораторным занятиям для студентов спец. 060800 − Экономика и управление на предприятиях лесного ком-плекса. Часть III. Текстовые редакторы MS-DOS / В.Н. Харин, А.В. Стариков, Г.В. Кулешова ; ВГЛТА. − Воронеж, 1996. − 40 с.

46. Столингс, В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем: проек-тирование и производительность [Текст] : [пер. с англ.] / В. Столингс. − 5-е изд. − М. : Издательский дом “Вильямс”, 2002. − 896 с.

47. Столингс, В. Операционные системы: внутреннее устройство и принципы проекти-рования [Текст] : [пер. с англ.] / В. Столингс. − 4-е изд. − М. : Издательский дом “Вильямс”, 2002. − 848 с..

48. Уатт, А.Л. Оптимизация Windows 95 [Текст] : [пер. с англ.] / А.Л. Уатт, Б.Дж. Синит. − К. : НИПФ “ДиаСофт Лтд.”, 1996. − 352 с.

49. История развития семейства операционных систем Windows [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.neowin.com/articles/microsoft_windows_history.htm, свобод-ный.

50. Шилдт, Г. MFC: Основы программирования [Текст] : [пер. с англ.] / Г. Шилдт. − К. : Издательская группа BHV, 1997. − 560 с.

51. Мешков, А.В. Visual C++ и MFC [Текст] / А.В. Мешков, Ю.В. Тихомиров. − 2-е изд. − СПб. : БХВ−Санкт-Петербург, 1999. − 1040 с.

52. Нортон, П. Руководство Питера Нортона. Программирование в Windows 95/NT 4 с помощью MFC [Текст] : [пер. с англ.] / П. Нортон, Р. Макгрегор. − В 2-х книгах. − М. : “СК Пресс”, 1998. − Кн.1 : 616 с.

141

Оглавление Стр. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Цели и задачи учебной дисциплины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Что такое информатика? . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Что такое информация? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Способы представления информации в повседневной жизни, нау-ке и технике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Информационные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Глава 1. Начальные сведения о компьютерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1. Краткий экскурс в компьютерное прошлое . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2. Принципы Джона фон Неймана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3. Общая организация и принципы работы компьютера . . . . . . . . . . 16

1.3.1. Центральный процессор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.2. Оперативная память . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.3. Устройства ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.4. Программное обеспечение компьютера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Глава 2. Двоичная арифметика и представление информации в компьютере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.1. Двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисле-ния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.2. Двоичная арифметика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.1. Сложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.2. Вычитание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.3. Умножение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.4. Деление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3. Представление числовых данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.1. Представление целых чисел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.2. Представление вещественных чисел . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.3. Представление отрицательных чисел . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.4. Кодирование символьной информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Вопросы и задания для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Глава 3. Технические средства персонального компьютера . . . . . . . . 39 3.1. Основные понятия микропроцессорной техники . . . . . . . . . . . . . 39 3.2. Феномен персонального компьютера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3. “Открытая архитектура”, или всё дело в принципе . . . . . . . . . . . . 44 3.4. Хронология важнейших событий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.5. Аппаратная организация IBM PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.5.1. Системный блок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5.2. Монитор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5.3. Клавиатура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.5.4. Мышь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

142

Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Глава 4. Системное программное обеспечение персонального

компьютера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62 4.1. Иерархия программных средств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.1.1. Базовая система ввода-вывода (ROM-BIOS) . . . . . . . . . . . . 64 4.1.2. Драйверы устройств ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.3. Структура MS-DOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.2. Файловая система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2.1. Логическая организация дискеты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.2. Понятие кластера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.3. Блок начальной загрузки (БНЗ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2.4. Таблица размещения файлов (FAT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2.5. Корневой каталог . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.2.6. Логическая организация жесткого диска . . . . . . . . . . . . . . 79

4.3. Организация хранения информации в MS-DOS . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3.1. Файлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3.2. Каталоги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3.3. Диски . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3.4. Маршруты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.3.5. Спецификация файла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.3.6. Шаблоны имен файлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.3.7. Спецификация каталога . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.4. Краткое руководство по важнейшим командам MS-DOS . . . . . . . 91 4.4.1. Общий синтаксис команд MS-DOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.4.2. Получение краткой справки по командам MS-DOS . . . . . . 92 4.4.3. Управление файлами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.4. Управление каталогами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.4.5. Перенаправление ввода-вывода и организация информа-

ционного канала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

107 4.5. Командные оболочки MS-DOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.6. Современные операционные системы IBM PC-совместимых

компьютеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.6.1. Классификация операционных систем . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.6.2. Основные понятия операционной системы Windows . . . . . 114 4.6.3. Документо-ориентированный подход к обработке инфор-

мации в Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

132 4.6.4. Использование DOS-программ в Windows . . . . . . . . . . . . . 134

4.6.5. Служебные программы Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Учебное издание

Стариков Александр Вениаминович

ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

Учебное пособие

Часть I Введение в информатику

Программно-техническая организация персонального компьютера

Редактор В.В. Терлецкая

Подписано в печать Формат 60х841/16. Объём 9,0 п. л. Усл. п. л. 8,37. Уч.-изд. л. 11,0. Тираж 150 экз. Заказ № ___

ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» РИО ГОУ ВПО «ВГЛТА». 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8

Отпечатано в тип. ИП Хасанова И.Б. 394087, г. Воронеж, ул. Ломоносова, 87