2011. Машбук, страница 9

Только что мы показали, что"виртуальность компьютера", с которым работает пользователь вычислительной системы,начинается с уровня управления физическими устройствами и завершается на уровнеприкладных систем.Также не совсем правильным является утверждение, что операционная системапредоставляет пользователю удобства работы с вычислительной системой или простоту еепрограммирования. На самом деле эти свойства в большей степени принадлежатприкладным системам или системам программирования.

Одной из возможных причинподобной неоднозначности является то, что на ранних периодах развития вычислительнойтехники системы программирования рассматривались в качестве компонентаоперационных систем. Вычислительная система является продуктом глубокой интеграцииее компонентов, и, безусловно, на удобства работы с ВС и на простоту программированияоказывают влияние и аппаратура компьютера, и операционная система, но эти свойства всущественно большей степени характеризуют системы программирования и прикладныесистемы.В настоящем разделе были рассмотрены следующие базовые определения,понятия.Вычислительная система — совокупность аппаратных и программных средств,функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задачопределенного класса. Рассмотрена пятиуровневая модель организации вычислительнойсистемы: аппаратный уровень, уровень управления физическими ресурсами ВС, уровеньуправления логическими/виртуальными ресурсами, уровень систем программирования иуровень прикладных систем.

Круг задач, на решение которых ориентированавычислительная система, определяется наполнением уровня прикладных систем, однаковозможность реализации тех или иных прикладных систем определяется всемиостальными уровнями, составляющими структурную организацию ВС.Физические ресурсы (устройства) — компоненты аппаратуры компьютера,используемые на программных уровнях ВС или оказывающие влияние нафункционирование всей ВС. Совокупность физических ресурсов составляет аппаратныйуровень вычислительной системы.Драйвер физического устройства — программа, основанная на использованиикоманд управления конкретного физического устройства и предназначенная дляорганизации работы с данным устройством.

Драйвер физического устройства скрывает отпользователя детальные элементы управления конкретным физическим устройством ипредоставляет пользователю упрощенный программный интерфейс работы с устройством.Логические, или виртуальные, ресурсы (устройства) ВС — устройство/ресурс,некоторые эксплутационные характеристики которого (возможно все) реализованыпрограммным образом.Драйвер логического/виртуального ресурса — это программа, обеспечивающаясуществование и использование соответствующего ресурса, для этих целей при его29реализации возможно использование существующих драйверов физических ивиртуальных устройств.Ресурсы вычислительной системы — это совокупность всех физических ивиртуальных ресурсов данной вычислительной системы.Операционная система — это комплекс программ, обеспечивающий управлениересурсами вычислительной системы. В структурной организации вычислительнойсистемы операционная система представляется уровнями управления физическими ивиртуальными ресурсами.Жизненный цикл программы в вычислительной системе — проектирование,кодирование (программная реализация или реализация), тестирование и отладка, вводпрограммной системы в эксплуатацию (внедрение) и сопровождение.Системапрограммирования —комплекспрограмм,обеспечивающийподдержание этапов жизненного цикла программы в вычислительной системе.Прикладная система — программная система, ориентированная на решение илиавтоматизацию решения задач из конкретной предметной области.1.2Основы компьютерной архитектурыИзучение принципов структурной организации и функционирования основныхкомпонентов операционной системы невозможно без рассмотрения основ архитектурыкомпьютера.

Настоящая глава посвящена рассмотрению концепций организациикомпьютера в контексте его функционирования в составе вычислительной системы(вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных аппаратных ипрограммных компонентов, функционирующих в единой системе и предназначенных длярешения задач определенного класса). Многие функциональные возможностиоперационных систем (такие как организация асинхронной работы с внешнимиустройствами, защита памяти от несанкционированного доступа, организациявиртуальной оперативной памяти) невозможно рассматривать вне поддержки этихфункций в аппаратуре компьютера.

На самом деле верно и обратное: многие возможностиаппаратуры компьютера сложно представить вне их использования в рамкахоперационной системы. В процессе рассмотрения основ архитектуры мы будемиспользовать обобщенную модель организации и свойств основных компонентов,составляющих компьютер, достаточную для построения представления о существующихвзаимосвязях аппаратных и программных компонентов вычислительной системы, а такжедля понимания принципов построения операционных систем.1.2.1 Структура, основные компонентыСередина 40-х годов 20-го века может вправе считаться сроком зарождениясовременной вычислительной техники.

С этой датой связано опубликованиеамериканским математиком венгерского происхождения Джоном фон Нейманом (JohnVon Neumann) технического отчета по результатам проектирования компьютера EDVAC(Electronic Discrete Variable Computer — Электронный Компьютер ДискретныхПеременных) под названием «Предварительный доклад о компьютере EDVAC» (A FirstDraft Report on the EDVAC). В данном отчете декларировались основные концепцииорганизации компьютеров, которые были реализованы в EDVAC. Основнымиразработчиками этого компьютера были Джон Мочли (John Mauchly) и Джон ПресперЭккерт (John Presper Eckert). Следует отметить, что к тому времени Мочли и Эккертимели успешный опыт разработки компьютера ENIAC (Electronic Numerical Integrator AndComputer).

Скандальность данной ситуации состояла в том, что внутрикорпоративныйотчет, основанный на предложениях Моучли и Эккерта (возможно и совместно с фонНейманом), был подготовлен и опубликован за авторством только Джона фон Неймана.30Распространение данного отчета в научной среде породило появление основополагающихпринципов построения вычислительных машин – так называемых "принципов фонНеймана", которые как минимум должны были именоваться принципами Мочли, Эккерта,фон Неймана. Мы не вправе и не в силах изменить ход истории и сложившуюсятерминологию, поэтому в дальнейшем также будем использовать термин "принципыпостроения компьютера фон Неймана".

Итак, в чем же состояли принципы организациимашины фон Неймана?1.Принцип двоичного кодирования информации: вся информация, котораяпоступает и обрабатывается в компьютере, кодируется в двоичной системе счисления.2.Принцип программного управления. Программа состоит из команд, вкоторых закодированы операция и операнды, над которыми должна выполниться даннаяоперация. Выполнение компьютером программы — это автоматическое выполнениеопределенной последовательности команд, составляющих программу. В компьютереимеетсяустройство,обеспечивающеевыполнениекоманд, —процессор.Последовательностьвыполняемыхпроцессоромкомандопределяетсяпоследовательностью команд и данных, составляющих программу. То есть, по сути,второй принцип – это принцип последовательной обработки.3.Принцип хранимой программы. Для хранения команд и данныхпрограммы используется единое устройство памяти, которое представляется в видевектора слов.

Все слова имеют последовательную адресацию. Команды и данныепредставляются единым образом. Интерпретация информации памяти и, соответственно,ее идентификация как команды или как данных происходит неявно при выполненииочередной команды. К примеру, содержимое слова, адрес которого используется вкоманде перехода в качестве операнда, интерпретируется как команда. Если то же словоиспользуется в качестве операнда команды сложения, то его содержимоеинтерпретируется как данные. То есть одна и та же область памяти в зависимости откоманд в одном случае будет интерпретироваться как команда, в другом случае – какданные.

Этот принцип фон Неймана замечателен тем, что он определяет возможностьпрограммной генерации команд с последующим их выполнением, то есть возможностькомпиляции программы, когда одна программа порождает другую программу, котораябудет выполняться.Рассмотрим упрощенную структуру компьютера фон Неймана (Рис. 20):Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), или основная память, —устройство хранения данных, в котором находится исполняемая в данный моментпрограмма. То есть оперативная память – это свойство всё-таки системное, а нетехнологическое (т.е.

на основе чего сделано это устройство – на той же элементной баземожно сделать устройство для хранения информации, но оно будет представлятьсясистеме не как оперативная память, а как внешнее устройство; тогда как программа будетисполняться из оперативной памяти).Рис. 20. Структура компьютера фон Неймана.ОЗУЦПВнешнееустройство31Устройствоввода-выводаВнешние устройства — программно управляемые устройства, входящие всостав компьютера, т.е. устройства, с которыми выполняемая программа можетосуществлять обмен данными.Процессор, или центральный процессор (ЦП), — основной компоненткомпьютера, обеспечивающий выполнение программ, процессор координирует работувнешних устройств и оперативной памяти. Процессор состоит из арифметикологического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ).

Устройство управленияобеспечивает последовательную выборку команд, составляющих программу, из памяти,выделение и анализ кода операции, получение значений операндов. В зависимости от кодаоперации команда выполняется либо в устройстве управления (обычно это могут бытькоманды передачи управления), либо код операции и операнды передаются длявыполнения в АЛУ. После чего выбирается из памяти следующая команда программы ит.д. В системе команд процессора предусмотрены средства для взаимодействия свнешними устройствами.Современные компьютеры по многим показателям не соответствуют принципамфон Неймана.