DAY01 (Старые версии Машбука или нечто подобное)

4

Лекция №1

Лекция №1

Глава I. Структура и основные компоненты вычислительной системы

Общая структура вычислительной системы.

Сидя за на компьютером мы не работаем напрямую с его аппаратными средствами, а используем для управления аппаратурой программное обеспечение - своеобразный буфер между пользователем и машинными компонентами.

Вычислительная система (далее ВС) - это объединение программных и аппаратных средств, которое позволяет пользователю максимально эффективно решать задачи. Рассмотрим структуру организации ВС:

Она представляет собой пирамиду. Поговорим о компонентах ВС, двигаясь по пирамиде снизу вверх.

Аппаратные средства.

Ресурсы ВС делятся на два типа:

• ресурсы, не влияющие на выполнение программы;

• ресурсы, влияющие на работу программы.

Примером первого ресурса может послужить объем жесткого диска. Ресурсы второго типа - это, например, размер ячейки памяти, объем оперативной памяти, скорость CPU (central processor unit или же ЦП). К ресурсам можно также отнести такую, на первый взгляд, непривычную характеристику, как размер таблиц операционной системы (об этом мы будем говорить позже). Ресурсы второго типа называются физическими ресурсами аппаратуры.

Управление физическими ресурсами.

Управлением физическими устройствами занимаются программы, знающие «язык» аппаратуры, понимающие различные наборы команд того или иного устройства (например, управляющие двумя HDD различных моделей или принтерами разных типов).

Управление логическими (виртуальными) устройствами.

Работать на уровне программ, управляющих физическими устройствами, неудобно. Так возникла идея создания так называемых обобщенных логических устройств. В качестве примера рассмотрим опять таки различные модели принтеров. Чтобы работать с различными моделями принтеров на уровне программ, управляющих физическими устройствами программист должен знать системы команд каждой модели. Это неудобно и нерационально. Можно разработать программу, которая бы обеспечивала интерпретацию набора команд обобщенного логического принтера в набор команд каждой модели. Такую программу можно написать один раз, а затем пользоваться набором команд логического принтера, т. е. в общем случае (если говорить не только о принтерах) можно унифицировать доступ к физическим ресурсам. Логические устройства называют иногда виртуальными устройствами. Следует отметить, что соответствие между логическими и физическими ресурсами могут нарушаться, примером этого может послужить виртуальный диск в операционной системе MS DOS.

Системы программирования.

Неудобства работы с машинным кодом, необходимость изучения программистом другой системы команд при переходе с одной машины на другую привели к тому, что в 50-е годы появились средства унификации программирования: появился ассемблер и машинно-независимые языки программирование. Возникают системы программирования - комплексы программ, обеспечивающие поддержку всего технологического цикла разработки программного обеспечения.

Прикладное программное обеспечение.

В 60-70 годы возникает необходимость в проблемно ориентированных средствах программирования. Появляются прикладные программы и пакеты программ для решения задач из конкретных предметных областей. Происходит разделение программистов на системщиков и прикладников.

Рассмотрим подробнее аппаратуру ВС.

Структура ЭВМ.

Главной функцией центрального процессора (ЦП) является обработка информации и взаимодействие с устройствами. А конкретнее, ЦП выполняет программы, команды которых находятся в оперативно запоминающем устройстве (далее ОЗУ - оперативно запоминающие устройство или RAM - random access memory). ОЗУ - устройство, состоящее из k однородных единиц, называемых ячейками памяти. Каждая ячейка обладает уникальным адресом ( адресация сквозная

0…k-1) и позволяет хранить двоичные данные определенного размера, этот размер называется размером ячейки памяти ОЗУ. Каждая ячейка разбита на два поля: поле внутрисистемной информации (его разряды позволяют, например, осуществлять автоматический контроль за содержимым машинного слова, т.е. позволяют определять что там находится: команда или данные, если данные, то их тип) и машинное слово, которое содержит команду или данные. Количество двоичных разрядов машинного слова определяют разрядность системы. Понятно, что длина машинного слова не может превышать длину ячейки памяти.

ЦП можно разделить на два компонента:

1. Устройство управления (УУ), которое принимает очередное слово из ОЗУ, дешифрует полученную информацию, осуществляет контроль ее корректности и определяет ее тип. Если это команда управления (например, команда передачи управления на определенную точку), то УУ выполняет ее, иначе передает в арифметическое устройство.

2. Арифметическое устройство (АУ), устройство, которое занимается непосредственно вычислениями.

Заметим, что устройство управления работает с регистровой памятью, находящейся в ЦП, время доступа к которой значительно меньше, чем к ОЗУ, что позволяет значительно повысить производительность всей системы. Вообще говоря, несоответствие в скоростях доступа и обработки информации - это есть одна из основных проблем, которая имеет место в современной вычислительной технике и то, что реальная оперативная память на порядки (!) медленнее чем скорость обработки информации в ЦП есть частный случай этой глобальной проблемы. Использование регистровой памяти позволяет сгладить этот дисбаланс.

Регистры.

Регистр - специальный тип быстрой оперативной памяти небольшого объема. Регистры обычно находятся в процессоре. К этим устройствам возможен доступ прямым или косвенным способом из программы, выполняемой на машине. Как Вам уже известно регистры делятся на два типа: регистры общего назначения (РОН) и специальные или системные регистры (СР).

РОН могут использоваться в качестве операндов команд программ, они делятся на группы по типам данных и по видам команд, хранимых в них (например, вещественные, целочисленные регистры). Длина целочисленных РОН обычно не превышает длину машинного слова. Скорость доступа к РОН соизмерима со скоростью обработки информации в ЦП. При умелом использовании РОН, можно значительно сократить число обращений к ОЗУ, тем самым понизив «торможение» системы на участке процессор-ОЗУ.

Специальные регистры изменяют свое значение в большинстве случаев не через указание команды изменения, а по причине изменения состояния исполняемой программы. Так функционируют, например, регистры результата, счетчик адреса команды, регистры для работы со стеком. Кроме того к СР относится также другая группа регистров - регистры, функции которых направлены на управление компонентами вычислительной системы (значения этих регистров, например, определяют вид режима работы RAM). Регистры для работы с внешними устройствами имеются практически в любой развитой вычислительной системе. Эти регистры взаимодействуют с устройством управления внешними устройствами (УУВУ), и через эти регистры процессор может организовывать управление внешними устройствами.

Система прерываний.

При выполнении программы может произойти возникновение некоторых исключительных или критических ситуаций (сломалось устройство, произошло деление на ноль). Для этого в аппаратуре фиксируется набор событий, на возникновение каждого из которых машина реагирует предопределенным образом. Эти события называются прерываниями, а реакция на эти события - обработка прерываний.

Прерывания делятся на два типа:

1. внутренние - возникают в схемах контроля процессора. Примеры внутренних прерываний: произошло переполнение (overflow) или деление на ноль.

2. внешние - наступают во «внешнем мире», во внешних устройствах, поступают из УУВУ. Эти прерывания связаны с событием (часто это бывает просто ошибка), произошедшем вовне (например, невозможно считать данные с HDD).

Рассмотрим теперь последовательность действий по обработке прерываний:

Сразу заметим, прерывание не обязательно должно вызвать прекращение программы. После обработки такого прерывания система должна иметь возможность продолжить работу программы. Например, по завершении обмена с HDD происходит прерывание, но это не значит что после этого работа программы должна завершиться.

1. Итак, первое, что делает аппаратура при возникновении прерывания - это так называемое «малое упрятывание» текущей информации о программе. Аппаратура «прячет» в специальные регистры минимальный набор информации о выполняемой программе. Обычно, в этот набор данных входят значение регистра-счетчика команд (IP), содержимое регистра результата, указатель стека и несколько регистров общего назначения, которыми будет пользоваться операционная система (ОС).

2. В некоторый специальный управляющий регистр, условно будем его называть регистром прерываний, помещается код возникшего прерывания.

3. Запускается программа обработки прерываний операционной системы, т.е. передается управление на некоторую фиксированную точку ОС. (Замечу, что здесь в зависимости от реализации имеется две возможности: либо точка одна - тогда тип прерывания передается через параметр, либо для каждого прерывания имеется своя точка).

4. Происходит анализ причин прерывания. При этом используются только «упрятанные» (сохраненные) регистры. Если это прерывание было фатальным (деление на ноль, например), то продолжать выполнение программы не имеет смысла и управление передается на ту часть ОС, которая завершит выполнение программы. Если же это прерывание не фатальное, то происходит дополнительный анализ, который приводит к ответу на вопрос: можно ли оперативно (быстро) обработать прерывание. Пример прерывания, которое можно всегда обработать оперативно - прерывание по таймеру. Прерывание, связанное с приходом информации по линии связи, нельзя обработать оперативно – в этом случае происходит расчищение в системе места для программы ОС, которая займется обработкой этого прерывания. Т.е. при невозможности оперативной обработки прерывания происходит так называемое «полное упрятывание» - сохранение спасенных регистров, а затем и всех остальных регистров в таблице ОС (а не в аппаратных регистрах!). Затем фиксируется тот факт, что пространство ОЗУ, занимаемое программой, может быть перенесено (при необходимости) на внешнее устройство. Дальше идет обработка прерывания, затем происходит восстановление значений регистров и осуществляется возврат в программу в ту же точку, на которой программа остановилась.