Программное обеспечение

Важными классами системных программ являются также программы вспомогательного назначения — утилиты (лат. utilitas — польза). Они либо расширяют и дополняют соответствующие возможности операционной системы, либо решают самостоятельные важные задачи.

 Кратко опишем некоторые  разновидности утилит:

• программы контроля, тестирования и диагностики, которые используются для проверки правильности функционирования устройств компьютера и для обнаружения неисправностей в процессе эксплуатации; указывают причину и место неисправности;
• программы-драйверы, которые расширяют возможности операционной системы по управлению устройствами ввода-вывода, оперативной памятью и т.д.; с помощью драйверов возможно подключение к компьютеру новых устройств или нестандартное использование имеющихся;
• программы-упаковщики (архиваторы), которые позволяют за счет применения специальных алгоритмов упаковки информации сжимать информацию на дисках, т.е. создавать копии файлов меньшего размера, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл. Применение программ-архиваторов очень полезно при создании архива файлов, так как в большинстве случаев значительно удобнее их хранить, предварительно сжав программами-архиваторами. Представители данных программ –WinRar и WinZip.
• антивирусные программы, предназначенные для предотвращения заражения компьютерными вирусами и ликвидации последствий заражения вирусами. Компьютерный вирус — это специально написанная небольшая по размерам программа, которая может "приписывать" себя к другим программам для выполнения каких-либо вредных действий — портит файлы, "засоряет оперативную память и т.д. Представители антивирусного семейства программ – Kaspersky Antivirus, DrWeb, Norton Antivirus

Часть утилит входит в состав операционной системы, а другая часть функционирует независимо от нее, т.е. автономно.

3. Инструментальные системы

 

Инструментальные программные  средства — это программы, которые используются в ходе разработки, корректировки или развития других прикладных или системных программ.

Инструментальные программные  средства могут оказать помощь на всех стадиях разработки ПО. По своему назначению они близки системам программирования.

К инструментальным программам, например, относятся:

• редакторы;
• средства компоновки программ;
• отладочные программы, т.е. программы, помогающие находить и устранять ошибки в программе;
• вспомогательные программы, реализующие часто используемые системные действия;
• графические пакеты программ и т.п.

Система программирования — это система для разработки новых программ на конкретном языке программирования.

Современные системы программирования обычно предоставляют пользователям  мощные и удобные средства разработки программ. В них входят:

• компилятор или интерпретатор;
• интегрированная среда разработки;
• средства создания и редактирования текстов программ;
• обширные библиотеки стандартных программ и функций;
• отладочные программы, т.е. программы, помогающие находить и устранять ошибки в программе;
• "дружественная" к пользователю диалоговая среда;
• многооконный режим работы;
• мощные графические библиотеки; утилиты для работы с библиотеками
• встроенный ассемблер;
• встроенная справочная служба;
• другие специфические особенности.

Транслятор (англ. translator — переводчик) — это программа-переводчик. Она преобразует программу, написанную на одном из языков высокого уровня, в программу, состоящую из машинных команд.

Трансляторы реализуются в виде компиляторов или интерпретаторов. С точки зрения выполнения работы компилятор и интерпретатор существенно  различаются.

Компилятор (англ. compiler — составитель, собиратель) читает всю программу целиком, делает ее перевод и создает законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется.

Интерпретатор (англ. interpreter — истолкователь, устный переводчик) переводит и выполняет программу строка за строкой.

После того, как программа откомпилирована, ни сама исходная программа, ни компилятор более не нужны. В то же время программа, обрабатываемая интерпретатором, должна заново переводиться на машинный язык при каждом очередном запуске программы.

Откомпилированные программы работают быстрее, но интерпретируемые проще  исправлять и изменять.

Популярные системы программирования – Turbo Basic, Quick Basic, Turbo Pascal, Turbo C. Borland C++, Borland Delphi и др

Каждый конкретный язык ориентирован либо на компиляцию, либо на интерпретацию — в зависимости от того, для каких целей он создавался. Например, Pascal обычно используется для решения довольно сложных задач, в которых важна скорость работы программ. Поэтому данный язык обычно реализуется с помощью компилятора. С другой стороны, Basic создавался как язык для начинающих программистов, для которых построчное выполнение программы имеет неоспоримые преимущества.

Иногда  для одного языка имеется и  компилятор, и интерпретатор. В этом случае для разработки и тестирования программы можно воспользоваться интерпретатором, а затем откомпилировать отлаженную программу, чтобы повысить скорость ее выполнения.

2. Тенденции развития программного обеспечения

 

Насколько близко мы подошли к действующему квантовому компьютеру? Прежде всего, необходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме того, эти простые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Наконец, нужно встроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражировать их. По оценкам ученных, прототипы таких компьютеров появились уже в 2009 году, а в 2010-2020 годах должно было начаться их массовое производство.

Конечно, заглянуть  вперед более чем на несколько  лет можно лишь чисто умозрительно, хотя в том, что ко второй половине этого века обрабатывающая мощность компьютеров превысит интеллектуальные способности человека, можно не сомневаться. Вполне вероятно, что к тому времени начнется и колонизация Солнечной системы. А к 22-му веку и люди, и компьютеры широко распространятся по ее планетам и начнут готовиться к освоению ближайших звездных систем.

Многоядерные процессоры отражают тенденцию последних лет: производительность компьютеров постоянно повышается и вместе с тем уменьшается  потребляемая мощность.

Все большее значение многоядерные процессоры приобретают в условиях всеобщей «цифрофикации» окружающей нас информации. Музыка, видео, фотографии, игры – их носители повсеместно становятся цифровыми, растет и количество устройств, генерирующих, обрабатывающих и хранящих цифровой контент (фото- и видеокамеры, DVD- и МР3-плееры).

Еще одна важная задача – расширение коммуникационной функции ПК. Проникновение в наши офисы и дома новых телекоммуникационных технологий, таких как VoIP, а также рост пропускной способности сетей требует обработки огромного количества пакетов данных, но это не должно влиять на скорость работы основных приложений. Многоядерные процессоры помогут справиться с этой задачей, правильно распределив ресурс вычислительных ядер для обработки сетевых пакетов и выполнения других приложений.¹

Многоядерные процессоры Intel в сочетании  с другими компонентами платформ предоставляют расширенные возможности для управления и для обеспечения безопасности. Они позволяют уменьшить время отклика системы во время одновременной работы нескольких управляющих или профилактических программ, таких как антивирусная проверка, обновление ПО, проверка конфигурации или запрос на инвентаризацию. Более того, используя технологию виртуализации, поддерживаемую многими платформами Intel, можно одновременно запустить несколько операционных систем без снижения производительности приложений в каждой из них.

Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения питания с 5В до 2,5-3В и ниже, увеличивает быстродействие и уменьшает  выделяемую тепловую энергию. Все производители  микропроцессоров перешли с проектных норм 0,35-0,25мкм на 0,18мкм и 0,12мкм и стремятся использовать уникальную 0,07мкм технологию (см. Таблица 2.1).

Таблица 2.1

Тенденции изменений характеристик  памяти

Год производства	2005	2006	2007	2010	2013	2016
DRAM, нм	80	70	65	45	32	32
МП, нм	80	70	65	45	32	32
Uпит, В	0,9	0,9	0,7	0,6	0,5	0,4
Р, Вт	170	180	190	218	251	288

 

В настоящее время ряд фирм выпускает  процессоры для персональных компьютеров  с тактовой частотой свыше 4 ГГц.

2.1. Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти

 

Возможные решения по увеличению пропускной способности подсистемы памяти включают создание кэш-памяти одного или нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности интерфейсов между  процессором и кэш-памятью и  конфликтующей с этим увеличением пропускной способности между процессором и основной памятью.

Совершенствование интерфейсов реализуется  как увеличением пропускной способности  шин, так и введением дополнительных шин, расшивающих конфликты между  процессором, кэш-памятью и основной памятью. В последнем случае одна шина работает на частоте процессора с кэш-памятью, а вторая – на частоте работы основной памяти. При этом частоты работы второй шины, например, равны 66, 66, 166 МГц для микропроцессоров Pentium Pro-200, Power PC 604E-225, Alpha 21164-500, работающих на тактовых частотах 300, 225, 500 МГц, соответственно. При ширине шин 64, 64, 128 разрядов это обеспечивает пропускную способность интерфейса с основной памятью 512, 512, 2560 Мбайт/с, соответственно.²

Общая тенденция увеличения размеров кэш-памяти реализуется по-разному:

внешние кэш-памяти данных и команд с двухтактовым временем доступа  объемом от 256 Кбайт до 2 Мбайт  со временем доступа 2 такта в HP PA-8000;

отдельный кристалл кэш-памяти второго  уровня, размещенный в одном корпусе  в Pentium Pro;

размещение отдельных кэш-памяти команд и кэш-памяти данных первого  уровня объемом по 8 Кбайт и общей  для команд и данных кэш-памяти второго  уровня объемом 96 Кбайт в Alpha 21164.

Наиболее используемое решение  состоит в размещении на кристалле  отдельных кэш-памятей первого уровня для данных и команд с возможным созданием внекристальной кэш-памяти второго уровня.

Увеличение количества параллельно  работающих исполнительных устройств. Каждое семейство микропроцессоров демонстрирует в следующем поколении увеличение числа функциональных исполнительных устройств и улучшение их характеристик, как временных (сокращение числа ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональных (введение ММХ- расширений системы команд и т.д.).

В настоящее время процессоры могут  выполнять до 6 операций за такт. Однако число операций с плавающей точкой в такте ограничено двумя для R10000 и Alpha 21164, а 4 операции за такт делает HP PA-8500.

Для того чтобы загрузить функциональные исполнительные устройства, используются переименование регистров и предсказание переходов, устраняющие зависимости между командами по данным и управлению, буферы динамической переадресации.

Широко используются архитектуры  с длинным командным словом – VLIW. Так, архитектура IA-64, развиваемая Intel и HP, использует объединение нескольких инструкций в одной команде (EPIC). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд. Процессоры с архитектурой IA-64 могут адресоваться к 4 Гбайтам памяти и работать с 64-разрядными данными. Архитектура IA-64 используется в микропроцессоре Merced, обеспечивая производительность до 6 Гфлоп при операциях с одинарной точностью и до 3Гфлоп – с повышенной точностью на частоте 1ГГц.

Системы на одном кристалле и  новые технологии. В настоящее время получили широкое развитие системы, выполненные на одном кристалле – SOC (System On Chip). Сфера применения SOC – от игровых приставок до телекоммуникаций. Такие кристаллы требуют применения новейших технологий.

Основной технологический прорыв в области SOC удалось сделать корпорации IBM, которая смогла реализовать сравнительно недорогой процесс объединения на одном кристалле логической части микропроцессора и оперативной памяти. В новой технологии, в частности, используется так называемая конструкция памяти с врезанными ячейками (trench cell). В этом случае конденсатор, хранящий заряд, помещается в некое углубление в кремниевом кристалле. Это позволяет разместить на нем свыше 24 тыс. элементов, что почти в 8 раз больше, чем на обычном микропроцессоре, и в 2-4 раза больше, чем в микросхемах памяти для ПК. Хотя кристаллы, объединяющие логические схемы и память на одном кристалле, выпускались и ранее, например, такими фирмами, как Toshiba, Siemens AG и Mitsubishi, подход, предложенный IBM, выгодно отличается по стоимости. Причем ее снижение никоим образом не сказывается на производительности.

Использование новой технологии открывает  широкую перспективу для создания более мощных и миниатюрных микропроцессоров и помогает создавать компактные, быстродействующие и недорогие электронные устройства: маршрутизаторы, компьютеры, контроллеры жестких дисков, сотовые телефоны, игровые и Интернет-приставки.

Для создания SOC IBM использует самые  современные технологические решения, одним из которых являются медные межсоединения (copper interconnect). По сравнению с технологией, где межсоединения выполнены на основе алюминия, медь позволяет сделать кристалл меньшим по размеру и более быстродействующим. Медная металлизация уменьшает общее сопротивление, что позволяет увеличить скорость работы кристалла на 15-20%. Обычно эта технология дополняется еще одной новинкой: технологией кремний на изоляторе – КНИ (SOI, Silicon On Insulator). Она уменьшает паразитные емкости, возникающие между элементами микросхемы и подложкой. Благодаря этому тактовую частоту работы транзисторов также можно увеличить. Возрастание скорости от использования КНИ приближается к 20-30%. Таким образом, общий рост производительности в идеальном случае может достигнуть 50%.