Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Функции операционных систем персональных компьютеров (УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА))

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Современное общество развивается очень высокими темпами. Стремительные изменения захватывают как технологические, так и социальные процессы. Раньше человек, получив определенную профессию, мог всю жизнь посвятить работе по полученной специальности. Сегодня специалисты дают прогнозы, что шестьдесят процентов нынешних первоклассников будут иметь профессии, которых сегодня еще не существует.

В жизни человека постоянно входят новые устройства, новые подходы к жизни, новые взгляды на саму жизнь. Сегодня большую роль во всех сферах жизнедеятельности людей играет компьютерная техника.

Компьютеры сначала начали использовать в тех сферах деятельности, для которых характерны высокие вычислительные нагрузки. Это научные исследования и военно-промышленный комплекс. В процессе эксплуатации первых компьютеров был раскрыт их потенциал для более широкого использования практически во всех направлениях деятельности человеческого общества.

Сегодня компьютеры по-прежнему помогают человеку выполнять сложные объемные вычисления, но также выполняет и множество других функций. Сложные микропроцессорные устройства управляют производством, участвуют в производстве сложных высокоточных механизмов, моделируют процессы и явления, позволяя людям исследовать труднодоступные объекты. Компьютеры окружают человека и в быту – все чаще встречается в новостях информация о технологии «умный дом», очень высокими темпами развивается технология интернета вещей, большое количество бытовых устройств имеют встроенные микропроцессоры.

Человек, окруженный компьютерной техникой, должен хорошо уметь управлять ей, понимать технологию ее функционирования, оценивать возможности в решении поставленных задач и учитывать имеющиеся ограничения. Компьютер является сложным технологическим устройством, состоящим из большого количества различных компонентов. Управление координацией узлами компьютера осуществляет операционная система – набор специальных программ. Знать устройство компьютера, уметь эффективно использовать его функции, грамотно распорядиться имеющимся программным обеспечением – важные компетенции современного специалиста.

Актуальность курсовой работы состоит в полезности изучения принципов работы современных компьютеров для любого современного человека. Специалист в любой сфере сегодня на своем рабочем месте имеет дело с персональным компьютером, поэтому должен понимать, как он управляется и как достичь максимальной эффективности использования компьютерной техники.

Объектом исследования курсовой работы являются технологии программирования.

Предметом исследования курсовой работы функции операционных систем персональных компьютеров.

Цель курсовой работы – изучение общих функций операционных систем компьютеров

Задачи курсовой работы:

изучить устройство компьютеров;
исследовать состав программного обеспечения ПК;
изучить, как реализованы современные операционные системы;
рассмотреть функции операционных систем ПК;
сделать выводы по итогам выполнения курсовой работы.

1 УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

1.1 Исторический обзор

Первый компьютер появился не так давно в исторических рамках – в середине двадцатого века. Люди на протяжении всей истории своего развития изобретали различные устройства, которые могли бы автоматизировать постоянно усложняющиеся вычисления. Такие устройства появлялись, постепенно развиваясь, в течение многих веков, и венцом развития вычислительной техники стал компьютер.

В конце сороковых годов XX века американские исследователи, сотрудники Пенсильванского университета, сконструировали устройство, положившее начало эре электронных вычислительных устройств.[11]

Устройство получило название ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный цифровой сумматор и вычислитель). Первый компьютер представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Первый компьютер ENIAC

Сегодня трудно себе представить компьютер такого размера, но именно это устройство является родоначальником всех современных гаджетов.

Основные характеристики первого компьютера ENIAC выглядели следующим образом:

вес около 30 тонн;
порядка 18000 электронных ламп;
площадь более 130 квадратных метров;
память 4 килобайта;
5000 операций сложения чисел, 357 операций умножения или 38 делений (это было в тысячу раз быстрее, чем любая другая вычислительная машина на тот момент).

Программировали ENIAC вручную. Для этого в состав первого компьютера входило более 6000 ручных переключателей, расположенных на огромной коммутационной панели.

Для ввода программы в память ENIAC операторы вручную выполняли положение сотен переключателей, каждый раз его выключая и включая компьютер по той причине, что он не имел внешних запоминающих устройств, а внутренняя память была крайне мала.

Коммутационная панель компьютера ENIAC представлена на рисунке 2.

Таких привычных современному человеку устройств ввода, как клавиатура, первый компьютер не имел. Не было и монитора.

Компьютер ENIAC часто выходил из строя, так как работа огромного количества вакуумных ламп часто вызывала перегревание устройства.

Несмотря на проблемы эксплуатации и технологическое несовершенство, ENIAC использовался более 10 лет для научных исследований и расчетов для нужд военной промышленности.

Рисунок 2 – Коммутационная панель ENIAC

После появления первого компьютера инженеры и специалисты начали активно развивать различные компьютерные устройства. К настоящему времени компьютерная техника достигла очень высокого уровня развития. Сменилось четыре поколения компьютеров, которые различаются между собой элементной базой, быстродействием и развитостью программного обеспечения. [3]

Современные компьютеры представлены широким спектром – от суперкомпьютеров (рисунок 3) до планшетов и смартфонов (рисунок 4).

Рисунок 3 – Современный суперкомпьютер

Рисунок 4 – Планшетный компьютер и смартфон

1.2 Принципы фон Неймана

Первый компьютер ENIAC манипулировал десятичными числами, что было крайне неудобно с технической точки зрения. Кроме того, такой подход увеличивал время выполнения программы. Имелось у ENIAC и много других конструкционных и эксплуатационных недостатков.

По результатам анализа использования первого компьютера группой ученых под руководством американского математика венгерского происхождения Джона фон Неймана был сформулирован набор принципов, на основе которых должны разрабатываться компьютеры.[2]

Кратко основные принципы фон Неймана могут быть сформулированы следующим образом:

В вычислительных машинах необходимо использовать двоичную систему счисления. Ее преимущество по отношению к десятичной системе счисления состоит в том, что создается возможность простых конструкторских решений устройств, предназначенных для выполнения арифметических и логических операций, которые реализуются в рамках двоичной системы счисления достаточно просто.
Компьютер должен работать под управлением программ. Работа электронно-вычислительной машины должна контролироваться программой, состоящей из набора команд. Команды должны выполняться последовательно одна за другой в том порядке, в котором они указаны в программе. Созданием машины с программой, хранимой в памяти, было положено начало развитию современной индустрии программирования.
Данные и программы должны храниться в памяти компьютера в унифицированной форме. При этом и данные, и команды программы кодируют в двоичной системе счисления, то есть форма их записи одинакова. Такой подход позволяет в определенных ситуациях реализовывать над командами такие же действия, как и над данными.
Ячейки памяти компьютера должны иметь адреса, для обозначения которых удобнее всего использовать последовательные номера. В произвольный момент времени должна быть возможность обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Такой принцип организации памяти открыл возможность использовать в программировании переменные.
Необходимо предоставить программистам возможность реализации в программах условного перехода в процессе выполнения алгоритма. Несмотря на то, что операторы выполняются последовательно, в программах должна быть возможность перехода к любому участку кода.[7]

Следует отметить, что сформулированные более семидесяти лет принципы актуальны и сегодня, все они реализованы в современных компьютерах.

На основании представленных фон Нейманом и его группой принципов была предложена оптимальная архитектура компьютера, которая используется в персональных компьютерах и сегодня.

Архитектура фон Неймана представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана нашла свою реализацию в магистрально – модульном принципе построения современного компьютера и принципе открытой архитектуры.

1.3 Структурная организация персонального компьютера

Современный пе6рсональный компьютер – сложное устройство, состоящее из множества взаимосвязанных узлов, работающее под управлением целого набора различных программ, составляющих программное обеспечение.

Структурно в современном компьютере выделяют три уровня:

физический уровень (hard ware);
логический уровень (soft ware);
интеллектуальный уровень (brain ware).[1]

Структурный подход к устройству компьютера представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Уровни устройства компьютера

Границы между отдельными уровнями устройства компьютера условны. Например, некоторые функции операционной системы (программный уровень) реализованы аппаратно. Отдельные элементы интерфейса реализуются как программно, так и аппаратно.

1.3.1 Аппаратный уровень персонального компьютера

Аппаратное обеспечение современного персонального компьютера базируется на двух основополагающих принципах:

магистрально-модульный принцип построения;
принцип открытой архитектуры.

Магистрально-модульный принцип заключается в том, что все функциональные устройства компьютера связаны между собой посредством общей шины (системной магистрали), по которой они обмениваются данными.

В состав системной шины входят три компонента:

шина данных;
шина адреса;
шина управления.[4]

Магистрально - модульный принцип построения компьютера представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Магистрально - модульный принцип построения компьютера

Магистрально – модульный принцип построения ЭВМ реализован в персональных компьютерах следующим образом: все устройства подключаются к системной шине посредством специальных унифицированных разъемов (рисунок 8).

Рисунок 8 - Магистрально – модульный принцип построения ЭВМ

Принцип открытой архитектуры – естественно вытекает из магистрально-модульного принципа. так как устройства очень просто подключать к компьютеру, т так же легко отсоединять, то пользователь может самостоятельно компоновать аппаратную часть компьютера их- нужных ему устройств. Производители выпускают комплектующие для компьютера с универсальными разъемами, которые подходят для любого персонального компьютера.[12]

1.3.2 Программный уровень персонального компьютера

Программное обеспечение компьютера – это совокупность программ, установленных на нем и под управлением которых компьютер работает.[9]

Общая классификация программного обеспечения представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Общая классификация программного обеспечения

2 ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

2.1 Системное программное обеспечение

Системное программное обеспечение современного компьютера предназначено для выполнения функций управления работой электронно-вычислительного устройства, координации работы его узлов и реализации сервисных функций.[6]

Классификация системного программного обеспечения представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Классификация системного программного обеспечения

Операционной системой называют совокупность программ, исполняющих роль интерфейса между приложениями и аппаратным обеспечением компьютера, а также контролирующих работу и выполнение пользовательской программы.

Можно утверждать, что операционная система – это комплекс взаимосвязанных программ, действующих как интерфейс между пользователями и приложениями с одной стороны и аппаратной частью компьютера – с другой (рисунок 11).

Рисунок 11 – Назначение операционной системы

Операционная система также обеспечивает наиболее эффективное использование ресурсов вычислительной системы и организацию надежных вычислений.

Каждая программа пользуется услугами операционной системы, потому она может эффективно функционировать только под управлением операционной системы, которая обеспечивает для нее необходимые условия.

В связи с этим выбор операционной системы является очень ыжным дл каждого пользователя, так как, им определяется состав и режимы работы с программным обеспечением.

Грамотный выбор операционной системы обеспечит максимально высокий уровень производительности работы компьютера, оптимальную степень защиты данных, эффективное взаимодействие с аппаратными средствами. На выбор операционной системы также влияют технические характеристики (конфигурация) компьютера. Чем современнее операционная система, чем больше возможностей она предоставляет, тем больше требований к ресурсам компьютера (оперативная и дисковая память, тактовая частота процессора, наличие и разрядность дополнительных карт и устройств) она предъявляет.

Элементарные операции для работы с устройствами компьютера на аппаратном уровне и управление его ресурсами являются операциями очень низкого уровня. В связи с этим действия по обеспечению штатного режима взаимодействия пользователя и прикладной программы, которые состоят из нескольких сотен или тысяч таких элементарных операций, должны обеспечиваться специальным внешним по отношению к обеим агентом, в роли которого и выступает операционная система.[10]

Операционная система скрывает от пользователя все сложные и ненужные подробности и предоставляет ему удобный интерфейс для работы. Она выполняет различные вспомогательные действия, к примеру, копирование и печать файлов.

Именно операционная система осуществляет загрузку в оперативную память всех необходимых программ, предоставляет им управление в начале их выполнения, реализует разнообразные акты по запросу выполняемых программ и освобождает занимаемую программами оперативную память при их завершении.

2.2 Состав и функции операционной системы

Достоинством большинства современных операционных систем является их модульность. Модульность – свойство, которое дает возможность объединить в каждом модуле некоторые логически связанные наборы функций. При возникновении необходимости в расширении или замене такого набора функций, имеется возможность сделать это путем замены или модификации единственного модуля, а не целой системы.

Обобщенная модульная структура операционной системы представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 – Состав операционной системы

Основные модули, присутствующие в большинстве операционных систем:

BIOS – Basic Input Output System (базовая система ввода-вывода);
загрузчик операционной системы;
ядро операционной системы;
драйверы устройств;
командный процессор;
внешние команды (файлы).[8]

Базовая система ввода-вывода (BIOS) – это совокупность микропрограмм, которые выполняют базовые низкоуровневые (элементарные) операции ввода-вывода информации. Такие программы находятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) компьютера и записываются в постоянную память заводом-изготовителем в процессе изготовления материнской платы. Система BIOS встроена в компьютер на аппаратном уровне, она является пограничным объектом, ее можно отнести как к аппаратуре, так и к программному обеспечению.

Пример реализации BIOS представлен на рисунке 13.

Рисунок 13 – Реализация BIOS

Главной функцией BIOS является автоматическое тестирование базовых компонентов вычислительной машины при включении. В случае обнаружения ошибки на экран выводится сообщение соответствующего содержания и / или параллельно подается звуковой сигнал.

Еще одной основной функцией BIOS является обслуживание прерываний. В случае возникновении установленных событий (таких, как щелчок мыши, нажатие клавиши на клавиатуре, ошибка в программе и др.) вызывается одна из стандартных подпрограмм BIOS по обработке возникшей ситуации.

Загрузчиком операционной системы называется программа, которая размещается в первом секторе любого загрузочного устройства с операционной системой. Функция загрузчика состоит в считывании в память основных дисковых файлов операционной системы и дальнейшей передаче им управления компьютером.

Ядро операционной системы служит для реализации базовых высокоуровневых услуг. При включении компьютера оно загружается в оперативное запоминающее устройство и остается в ней постоянно в течение всего сеанса работы. В ядре операционной системы выделяют несколько подсистем, каждая из которых несет ответственность за реализацию определенных задач:

система управления памятью (функция - размещение программы в памяти);
файловая система (функция - размещение информации на запоминающих устройствах);
система управления программами (запуск и исполнение программ);
система связи с драйверами устройств (функция - осуществление взаимодействия с внешними устройствами);
система обработки ошибок;
служба времени (функция - администрирование информации о системном времени).[2]

Упрощенно многослойная структура ядра операционной системы представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Многослойная структура ядра операционной системы

Драйверами называют программы, реализующие управляющие функции по отношению к работе работой внешних (периферийных) устройств на физическом уровне.

Драйверы дополняют функции системы ввода-вывода операционной системы и обеспечивают обслуживание новых устройств ввода-вывода, добавляемых в систему или нестандартное использование уже имеющихся.

Командный процессор реализует прием и синтаксический разбор команд, полученных из командного файла или с клавиатуры, а также исполнение внутренних команд операционной системы.

Таким образом, подводя итоги, можно выделить следующие основные функции операционной системы:

загрузка программ в ОЗУ и их реализация;
реагирование на запросы программ (запуск и остановка других программ, ввод и вывод данных, выделение и освобождение дополнительной памяти);
осуществление доступа к периферийным устройствам;
организация виртуальной памяти, распределение между процессами, (управление оперативной памятью).
обеспечение пользовательского интерфейса;
ведение реестра системных ошибок.

2.3 Современные операционные системы для ПК

Операционные системы по количеству одновременно выполняемых задач делятся на два класса:

однозадачные операционные системы (к примеру, MS-DOS);

многозадачные операционные системы ( к примеру, Windows, Linux).

Функцией однозадачной операционной системы является в первую очередь предоставление пользователю виртуальной машины для обеспечения удобного и простого взаимодействия с компьютером.

В состав однозадачных операционных систем входят:

средства управления файлами;

средства управления внешними устройствами;

средства взаимодействия с пользователем.

Многозадачные операционные системы реализуют все функции однозадачных и дополнительно управляют разделением совместно используемых ресурсов (оперативная память, процессор, файлы и внешние устройства).

Типы многозадачных операционных систем представлены на рисунке 13.

Рисунок 15 - Типы многозадачных операционных систем

Сегодня наиболее популярными операционными системами для персональных компьютеров являются операционные системы Windows и Linux.

Статистика выбора операционных систем в Российской Федерации по состоянию на май 2018 года представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 – Предпочитаемые операционные системы

Самыми популярными операционными системами для российских пользователей являются операционные системы семейства Windows благодаря простоте использования и удобству интерфейса, большому количеству сервисных программ, поддержке русского языка, высокой интегрированность с прикладными программами (в частности – пакет офисных программ MS Office). Персональный компьютер с установленной ОС Windows представлен на рисунке 17.

Рисунок 17 – Операционная система Windows

Многие пользователи выбирают Linux, исходя из собственных предпочтений и вкусов. Эта операционная система также имеет своих приверженцев. Персональный компьютер с установленной ОС Linux представлен на рисунке 18.

Рисунок 18 - Операционная система Linux

Современные ОС эффективно выполняют все основные функции и несложны в использовании, поэтому пользователь может выбрать любую.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения курсовой работы по теме «Функции операционных систем персональных компьютеров» было изучено функциональное, логическое и аппаратное устройство современных персональных компьютеров, исследована связь между аппаратурой и программным обеспечением.

В первой главе курсовой работы представлен краткий исторический обзор появления первого компьютера, представлены принципы фон Неймана, сформулированные на основе анализа его эксплуатации, представлена архитектура фон Неймана, актуальная и в наши дни.

В работе представлена структурная схема персонального компьютера, сформулированы и проиллюстрированы магистрально-модульный принцип и принцип открытой архитектуры. Все это имеет непосредственное отношение к операционным системам современных компьютером и их функциям.

Во второй главе подробно рассмотрено понятие и назначение операционных систем. Представлен состав типичной операционной системы персонального компьютера, рассмотрены отдельные компоненты и их назначение. Показана роль операционной системы как устройства, координирующего работу всех узлов компьютера и создающего для пользователя комфортные условия работы с компьютером.

Операционная система позволяет даже начинающему пользователю быстро освоиться с файловой системой компьютера и быстро начать активно ей пользоваться.

Задачи курсовой работы решены полностью, цель достигнута.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Алексеев Г.В. Компьютерные технологии при проектировании и эксплуатации технологического оборудования. - СПб.: ГИОРД, 2014. - 256 c.
Василькова И. В., Васильков Е. М., Романчик Д. В. Основы информационных технологий в Microsoft Office 2018. – М.: ТетраСистемс, 2014. - 144 c.
Дейтел Х. М., Дейтел П. Дж., Чофнес Д. Р. Операционные системы. Часть1. Основы и принципы. – М.: Бином-Пресс, 2017. - 448 c.
Дейтел Х. М., Дейтел П. Дж., Чофнес Д. Р. Операционные системы. Часть 2. Распределенные системы, сети, безопасность. – М.: Бином-Пресс, 2014. - 704 c.
Делев Владимир Алексеевич Информатика. Ч.1. Основы Персонального Компьютера. Операционные Системы. – М.: РИК-Пресс, 2017. - 100 c.
Демьянович Ю. К., Лебединский Д. М. Операционная система UNIX (LINUX) и распараллеливание. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 2015. - 112 c.
Есаян А.Р. Информатика. - М.: Просвещение, 2015. - 288 c.
Иртегов Д. В. Введение в операционные системы. – СПб.: БХВ-Петербург - Москва, 2017.- 874 c.
Карпов В. Е., Коньков К. А. Основы операционных систем. Курс лекций. Учебное пособие. – М.: Интернет-университет информационных технологий, 2015. - 632 c.
Коньков К. А. Устройство и функционирование ОС Windows. Практикум к курсу "Операционные системы". – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2018. - 208 c.
Курячий Г. В. Операционная система UNIX. Курс лекций. Учебное пособие. – М.: Интернет-университет информационных технологий - Москва, 2014. - 288 c.
Могилев А.В. Информатика: Учебное пособие для вузов. - М.: ИД Академия, 2015. – 347 с.