Средства информационно-коммуникационных технологий. Файловая система

Средства информационно-коммуникационных технологий(ИКТ)

Архитектура компьютера

В современном мире одним из основных средств информационных и коммуникационных технологий(ИКТ) является компьютер. Архитектура компьютера описывает его организацию и принципы функционирования структурных элементов. Архитектура компьютера — структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. Человек создал компьютер для упрощения своей работы. В процессе обработки информация проходит несколько уровней, поэтому то, что отображается на экране компьютера или смартфона, внутри выглядит совсем иначе. Эндрю Таненбаум выделяет 6 уровней изменения информации: от понятной компьютеру до понятной человеку.

• Уровень 5: Уровень языка прикладных программистов(Трансляция — компилятор, интерпретатор). Прикладная программа или приложение — программа, предназначенная для выполнения определенных задач и рассчитанная на непосредственное взаимодействие с пользователем. Языки, разработанные для прикладного программирования, называются языками высокого уровня. Наиболее известные из них - Python, JavaScript, C++, C#, Java.
• Уровень 4: Уровень ассемблера(низкоуровневое программирование). Представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня.
• Уровень 3: Уровень операционной системы(Частичная интерпретация - операционная система). Это гибридный уровень: одна часть команд интерпретируется операционной системой.
• Уровень 2: Уровень архитектуры набора команд(Непосредственное выполнение, микропрограммы). На этом уровне набор машинных команд описывается и исполняется микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Правильный выбор архитектуры системы команд важен для реализации вычислений наиболее эффективным образом(т.е. за минимальное время).
• Уровень 1: Уровень микроархитектуры(Аппаратное обеспечение). На этом уровне находятся наборы, состоящие обычно из 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ(арифметико-логическое устройство). АЛУ исполняет простые арифметические операции.
• Уровень 0: Цифровой логический уровень. Включает ряд логических элементов - вентилей. Вентиль — часть электронной логической схемы, выполняющая элементарную логическую функцию (не, или, и). Несколько вентилей формируют одну неделимую ячейку памяти(бит). Биты памяти, объединенные по 8, 16, 32, 64, образуют регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины, доступ к которым организован быстрее, чем к простым ячейкам.

Организация работы компьютера

Компьютер — электронно-вычислительное устройство или система, способная выполнять заданную, чётко определённую, изменяемую последовательность операций. Компьютер = аппаратная часть + программное обеспечение. Аппаратное обеспечение и программное обеспечение логически эквивалентны. Любая операция, исполняемая программным обеспечением, может быть реализована аппаратным обеспечением, и, наоборот, любая команда, исполняемая аппаратным обеспечением, может быть смоделирована программно.

Аппаратное обеспечение

Аппаратное обеспечение компьютера, или hardware - набор устройств, из которых он состоит. Основные аппаратные компоненты компьютера: процессор, память, устройства ввода-вывода, дополнительные компоненты, связывающие основные между собой. Функции по объединению всех компонентов компьютера осуществляет материнская(системная) плата, на которой размещаются центральный процессор, основная память, системная шина, различные контроллеры и другие устройства.

Процессор

Процессор — центральная часть компьютера, которая выполняет заданные программой преобразования информации и осуществляет управление всеми вычислительными процессами. Процессоры можно разделить на два типа: мобильные, применяемые в современных телефонах, планшетах, и декстопные, используемые в компьютерах и ноутбуках. Эти два типа процессоров основаны на разных архитектурах, они взаимодействуют с операционной системой и всем софтом с помощью разного набора команд. В современных компьютерах используются микропроцессоры нового поколения, которые во много раз меньше устройств предыдущего поколения. Микропроцессор — программно управляемое электронное цифровое устройство, обрабатывающее информацию в цифровом виде и выполняющее арифметические и логические операции. Микропроцессор совместно с микропроцессорным комплексом(чипсетом) также управляет работой основных узлов и блоков компьютера. Внутри процессора имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации. Наиболее важными частями процессора являются устройство управления и арифметико-логическое устройство. Устройство управление(УУ) — основной координатор всех действий компьютера, управляющий последовательностью выполнения команд и движением(потоками) данных в компьютере. Арифметико-логическое устройство(АЛУ) — устройство, выполняющее все вычислительные операции.

Память компьютера

Память компьютера состоит из: Основной памяти - оперативная(ОП, ОЗУ), постоянная(ПП, ПЗУ), кэш-память и внешней памяти(ВП, ВЗУ). Оперативная память(ОЗУ — оперативное запоминающее устройство) представляет собой набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен. В этой памяти хранятся исполняемые программы и данные. Постоянная память(ПЗУ — постоянное запоминающее устройство) — микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе когда компьютер выключен. К ПЗУ можно обращаться только при чтении данных и программ, но записывать в неё нельзя. ПЗУ хранит вспомогательные программы, которые используются многократно в процессе решения любых задач. Этот набор программ образует базовую систему ввода-вывода(BIOS, Basic Input/Output system), он получает управление при выключении и сбросе(reset) системной платы. Внешняя память(ВЗУ — внешнее запоминающее устройство) компьютера состоит из накопителей на жёстких магнитных дисках(HDD), дисководов чтения и записи оптических дисков(CD и DVD), а также карты памяти и флеш-накопителей. Кэш-память — сверхбыстрая память, используемая процессором для временного хранения наиболее часто используемых данных.

Система шина, контроллеры и другие устройства

Системная шина передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Контроллеры обеспечивают обмен информацией с внешними устройствами. В состав материнской платы входит также чипсет(набор микросхем, обеспечивающих согласованную работу всех аппаратных средств компьютера) и ряд других подсистем, которые обеспечивают удобство и функциональность конкретной материнской платы(электропитания, мониторинга физических и электрических параметров). Видеокарта(видеоадаптер, графическая карта) - устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора. Блок питания — устройство, обеспечивающее питание всех компонентов, подключённых к материнской плате, включая её саму.

Устройства ввода-вывода

Периферийные устройства — устройства, предназначенные для ввода или вывода информации: принтеры, клавиатуры, мыши, сканеры и т.д. Подсоединение их к компьютеру производится через специальные интерфейсы - порты ввода/вывода. По способу передачи информации порты ввода/вывода могут быть последовательными(через такие порты информация передаётся по одному биту) и параллельными(несколько битов информации передаётся одновременно). Примеры устройств ввода информации: клавиатура, манипуляторы(мышь, трекбол), графический планшет, сканер, звуковая карта, микрофон, игровые манипуляторы. Устройства вывода информации: монитор, принтер, акустические колонки и наушники, модем(устройство ввода/вывода).

Программное обеспечение(ПО)

Программное обеспечение(ПО, software) — набор программ, управляющих действиями компьютера при его использовании для решения задач. В современном русском языке активно применяется также термин "софт". ПО управляет аппаратной частью ПК. Удобство и универсальность ПО заключается в его способности модифицироваться. Программы, способные запоминать информацию, делают вычислительные машины гибкими и легко адаптируемыми к различным условиям. Рассмотрим подробнее основные элементы структуры ПО.

Системное ПО

Системное ПО — программы, которые предназначены для управления работой компьютера и вычислительной сети, их диагностики и профилактики, выполнения различных вспомогательных технологических процессов. Системное ПО можно разделить на базовое и сервисное. Базовое программное обеспечение, как правило, поставляется вместе с компьютером, а сервисное можно приобрести дополнительно. Базовое ПО — минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера. В него входят операционная система, операционные оболочки(обычно текстовые и графические), сетевая операционная система. Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования вычислительных ресурсов ЭВМ и управления ими. Операционные оболочки — специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами операционной системы. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса. Сетевые операционные системы — комплекс программ, обеспечивающих обработку, передачу и хранение данные в сети.

Сервисное ПО

Включает программы и программные комплексы, которые расширяют возможности базового программного обеспечения и организуют более удобную среду работы пользователя. К ним относятся драйверы специфических и специальных устройств, которые не поставляются в составе ОС. Драйверы — компьютерные программы, с помощью которых другие программы получают доступ к аппаратному обеспечению устройства. Например, драйверы для видеокарты, принтера. Программы диагностики используются для проверки готовности и работоспособности компьютера. Например, программы для тестирования оперативной памяти, жёстких дисков, процессора и т.п. Антивирусные программы — программы, выполняющие задачи обнаружения и устранения компьютерных вирусов, а также нежелательных вредоносных программ, восстановления заражённых такими программами файлов и предотвращения заражения файлов или ОС вредоносным кодом. Например, антивирус Касперского, ESET NOD32, Dr. Web, Avast. Программы обслуживания дисков — программы, способные тестировать производительность, проверять кластеры, объединять разделы или восстановить диск. Например, CCleaner и др. Программы архивирования данных — программы, предназначенные для сжатия без потерь одного или более файлов в единый файл-архив или серию архивов для удобства переноса и(или) хранения данных. Обратное действие - распаковка архива - выполняется как правило с помощью этого же архиватора. Например, 7-Zip, WinRaR, WinZip и др. Программы обслуживания сети — коммуникационные программы, организующие обмен информацией между компьютерами. Например, Zabbix, NetTraffic, Wireshark.

Прикладное ПО

Прикладное ПО — программы, предназначенные для реализации конкретных задач по обработке данных, которые пользователь решает в ходе своей деятельности. Приложения общего назначения. К данному типу относится комплект офисных приложений MS Office или LibreOffice. Эти комплекты предназначены для работы с текстом(текстовые редакторы), таблицами(электронные таблицы), пакеты для создания презентаций, СУБД(системы управления базами данных и базы данных). Приложения специального назначения. В число таких приложений входят браузеры - средства просмотра веб-страниц, графические редакторы, бухгалтерские системы типа 1С, веб-редакторы.

Инструментальное ПО

Инструментальное ПО — совокупность программ, обеспечивающих разработку новых компьютерных программ на языке программирования. Например, PyCharm, VSCode.

Операционные системы

Операционная система (ОС) — программный комплекс, предоставляющий пользователю среду для выполнения прикладных программ и управления ими, а прикладным программам - средства доступа к аппаратным ресурсам и управления ими.

В более общем виде состав модулей ОС можно разделить на две части:

• ядро ОС - модули, выполняющие основные функции ОС;
• вспомогательные модули ОС, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Ядро — центральная часть операционной системы, управляющая выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основными ресурсами являются процессорное время, память и устройства ввода-вывода. Доступ к файловой системе и сетевое взаимодействие также могут быть реализованы на уровне ядра. Современные ОС имеют довольно сложную структуру, каждый её элемент выполняет определённые функции в компьютере.

Структура ОС: программный модуль, командный процессор, драйверы, графический интерфейс, сервисные программы, справочная система.

Программный модуль — управляет файловой системой: процесс работы компьютера сводится к обмену файлами между устройствами. Файлы ОС хранятся во внешней, долговременной памяти(зачастую на жёстком диске). Но программы могут выполняться, только если они находятся в компьютере, поэтому файлы нужно загрузить в оперативную память.

Командный процессор — часть операционной системы, обрабатывающая команды, вводимые с терминала или из командного файла, и запускающая задачи для их выполнения.

Команда — описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер или формальный исполнитель. У каждой команды есть свой двоичный код. Пользователь даёт команду запуска программы, проведения какой-либо операции над файлами, вывода документа на печать, а операционная система выполняет эту команду.

Драйверы — специальное программное обеспечение, необходимое для взаимодействия операционной системы и подключаемого устройства, причём каждому устройству соответствует свой драйвер. Без драйверов ОС не будет работать, ведь именно они осуществляют взаимодействие между всем аппаратным обеспечением компьютера и ОС. При включении компьютера производится загрузка первичных драйверов в оперативную память. Пользователь имеет возможность вручную установить или переустановить драйверы устройств.

Графический интерфейс и его программные модули позволяют осуществлять взаимодействие человека с компьютером в форме диалога. Графический интерфейс пользователя(ГИП, ГПИ, GUI) — разновидность пользовательского интерфейса, в котором элементы интерфейса, представленные пользователю на дисплее, исполнены в виде графических изображений.

Сервисные программы, или утилиты — сервисные программы для обслуживания дисков, выполнения операций с файлами и работы в компьютерных сетях.

Программное обеспечение отличается высокой сложностью, поэтому и в операционной системе, и в большинстве её приложений предусмотрены справочные системы. Справочная система обеспечивает получение информации о функционировании ОС в целом и о работе её отдельных модулей.

Классификация ОС

По числу одновременно обслуживаемых пользователей

• Однопользовательские — одновременно поддерживается не более одного сеанса пользователя.
• Многопользовательские — одновременно поддерживается множество сеансов пользователя.

По числу одновременно выполняемых процессов

• Однозадачные — не более одного работающего процесса.
• Многозадачные — множество работающих процессов.

По разрядности кода ОС(пока существуют в домашних ПК)

• 8-разрядные
• 16-разрядные
• 32-разрядные
• 64-разрядные

По назначению

• Универсальные — рассчитаны на решение любых задач пользователя.
• Специализированные ОС — работают с фиксированным набором программ.

По способу загрузки

• Загружаемые ОС(большинство);
• Системы, находящиеся в памяти вычислительной машины постоянно.

По типу компьютеров

• Мобильные (ОС Android и iOS);
• Десктопные системы(Windows, GNU Linux, Mac OS).

Функции ОС

ОС является необходимости составляющей программного обеспечения, без неё компьютер работать не может. К базовым функциям ОС относятся:

• планирование заданий;
• использование процессора;
• обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации;
• управление памятью;
• управление файловой системой;
• управление вводом-выводом;
• обеспечение безопасности.

Дополнительные функции ОС:

• многозадачность;
• защита системы, а также пользовательских данных и программ;
• разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы(аутентификация, авторизация).

Загрузка ОС

Для понимания процесса загрузки ОС необходимо изучить следующие понятия и сокращения.

Системный диск — жёсткий, гибкий или лазерный диск, на котором находятся файлы операционной системы и с которого производится её загрузка. POST(Power-On Self-Test) — самотестирование после включения. BIOS(Basic Input/Output System) — базовая система ввода-вывода.

Этапы процесса загрузки ОС

1. Включение
2. Самотестирование компьютера (POST)
3. Программа BIOS ищет программу загрузчика OC на системном диске
4. Программа-загрузчик ОС загружается в оперативную память
5. Программа-загрузчик находит файлы ОС на системном диске и загружает их в оперативную память
6. Поиск логического раздела жёсткого диска, загрузка ядра ОС
7. Передача управления командному процессору

Файловая система

Файловая система — система, которая определяет и контролирует способ названия и хранения данных на носителе/накопителе информации: жёстком диске или SSD, флеш-накопителе и др. Существуют универсальные файловые системы, например FAT32, NTFS и exFAT, которые видят все ОС: Windows, Linux, MacOS, IOS, Android и др. Их читают практически все фотоаппараты, видеокамеры и иное современное оборудование. Каталоги — системные файлы, предназначенные для поддержки структуры файловой системы. Если на диске хранится много файлов, то для упрощения и удобства поиска их объединяют в папки по тематике. Одни папки могут находиться внутри других, в таком случае их называют вложенными каталогами или папками. Файл — программа или данные, имеющие имя и хранящиеся в долговременной(внешней) памяти. Для операционной системы файл - это просто последовательность байтов. Каждый файл имеет своё расширение, исходя из его назначения. ☑️ Файл "12d.exe" имеет название "12d" и расширение ".exe" - исполняемый файл. ☑️ Файл "Задачи 10 класс.docx" - имеет название "Задачи 10 класс" и расширение ".docx" - текстовый файл.

Список файловых систем

В следующем списке представлены названия дисковых файловых систем. Их характеристики и более подробные сведения вы можете найти в интернете. Дисковые файловые системы обычно являются блочно-ориентированными. Файлы в блочно-ориентированной файловой системе представляют собой последовательности блоков, для которых часто доступны операции чтения, записи и изменения с произвольным доступом.

• ADFS
• AdvFS
• APFS - файловая система, разработанная корпорацией Apple для замены ранее использовавшейся HFS+.
• AthFS
• BFS
• Btrfs
• CFS
• CP/M
• DFS
• DOS 3.x
• Extent File System (EFS)
• ext – Расширенная файловая система, разработанная для систем Linux.
• ext2 – Вторая расширенная файловая система, разработанная для систем Linux.
• ext3 – Журналируемая форма ext2.
• ext4 – Продолжение ext3 а также a журналируемая файловая система с поддержкой экстентов.
• ext3cow – Файловая система управления версиями форма ext3.
• exFAT – это файловая система, представленная в Windows Embedded CE 6.0 в ноябре 2006 года. Используется в консолях PlayStation начиная с 4 поколения консоли(до этого FAT32, FAT, ISO 9660).
• FAT – Таблица распределения файлов, изначально использовавшаяся на DOS и Microsoft Windows и теперь широко используется для портативных USB-накопителей и некоторых других устройств; FAT12, FAT16 и FAT32 для 12-, 16- и 32-разрядный глубина таблицы.
• VFAT
• FATX – Под игровые консоли XBox.
• FFS (Amiga)
• FFS
• systemsFossil
• Files-11
• Flex machine
• file systemHAMMER
• HAMMER2
• HFS – файловая система, разработанная Apple Computer для компьютеров с операционной системой Mac OS.
• HFS+ – файловая система, разработанная Apple Inc. для замены ранее использовавшейся HFS, основной файловой системы на компьютерах Macintosh.
• HPFS
• HTFS
• ISO 9660 – это файловая система для носителей оптических дисков.
• JFS
• LFS
• MFS
• Next3
• MFS – файловая система первого компьютера Mac.
• Minix file system
• systemsNILFS
• NTFS – (New Technology File System) Новая файловая система в замен FAT от компании Microsoft
• based operating systemsNeXT
• file systemNetWare File System
• NSS
• OneFS
• OFS
• OS-9 file system
• PFS – и PFS2, PFS3.
• ProDOS
• Qnx4fs
• ReFS (Resilient File System) – файловая система от Microsoft, разработанная для работы с большими массивами данных, виртуализацией и облачными хранилищами.
• ReiserFS
• Reiser4
• Reliance
• Reliance Nitro
• RFS
• SkyFS
• SFS
• Soup (Apple)
• Tux3
• UDF
• UFS
• UFS2
• VxFS
• VTOC
• XFS
• ZFS

Примеры типов файлов:

• Исполняемый файл(.exe, .com);
• Текстовый файл(.txt, .doc, .docx, .rtf);
• Файл базы данных(.dbf, .db, .mdb);
• Графический файл(.bmp, .tif, .cdr, .jpg, .png, .webp);
• Звуковой файл(.mod, .wav, .wma, .mp3);
• Видеофайл(.avi, .mpg, .mp4);
• Формат Internet(.html, .asp, .asf);
• Системный файл(.sys, .bat).

Каждой папке также присваивается имя, но, в отличие от файла, название папки пишется без расширения. Кроме имени, у файла имеются также иные данные. Все операционные системы связывают с файлом другую информацию, например его размер, дату и время последней модификации. Также дополнительные сведения называются атрибутами файла.

Атрибуты файлов:

• Защита(кто и каким образом имеет право получить доступ к файлу);
• Пароль(набор символов для получения доступа к файлу);
• Создатель(идентификатор создателя файла);
• Владелец(текущий владелец файла);
• Флаг "только чтение"(0 - для чтения и записи, 1 - только для чтения);
• Флаги блокировки(0 - незаблокированный, ненулевое значение - заблокирован);
• Длина записи(количество байтов в записи);
• Позиция ключа(смещение ключа внутри каждой записи);
• Длина ключа(количество байтов в поле ключа);
• Время создания(дата и время создания файла);
• Время внесения последних изменений(дата и время внесения в файл последних изменений данных);
• Текущий размер(количество байтов в файле);
• Максимальный размер(количество байтов, до которого файл может увеличиваться).

Действия с файлами: cоздание, удаление, открытие, закрытие, поиск, переименование, чтение, запись, добавление данных, установление атрибутов.