Иерархическая структура компьютера и операционные системы
3. Операционные системы и процесс начальной загрузки
3.1. Иерархическая структура компьютера
Прежде чем углубиться в изучение операционных систем, необходимо разобраться со сложными (и, увы, иногда нарушающимися) взаимосвязями между аппаратурой и программным обеспечением компьютера. Эти взаимосвязи часто изображаются в виде иерархической структуры, показанной на рис. На каждом из уровней иерархии в процессе работе компьютера выполняются свои строго определенные задачи. Таких уровней четыре: аппаратные средства, BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода/вывода), операционная система и прикладные программы (приложения).
3.1.1. Аппаратные средства
Как и следовало ожидать, ядром иерархии компьютера являются аппаратные средства, поскольку что-то должно исполнять написанные программы. К аппаратным средствам относятся различные электронные компоненты, накопители, платы расширения, источники питания, периферийные устройства и соединяющие их проводники и кабели. К ним же относятся внешние по отношению к системному блоку компьютера компоненты: мониторы, клавиатуры, манипуляторы, принтеры и т.п. Посылая соответствующие цифровые коды в различные порты ввода/вывода или записывая их в различные ячейки памяти, можно управлять практически всем, что прямо или косвенно подключено к центральному процессору системы. Однако для того чтобы управлять устройствами, входящими в состав вычислительной системы, на аппаратном уровне, необходимо очень хорошо разбираться в их схемотехнике. Каким же образом, корпорации Microsoft удается продавать операционные системы, которые работают как на компьютерах, совместимых с АТ на базе процессора 386 так и на новых системах с процессором Pentium-4? Практически каждая фирма-производитель проектирует свои электронные блоки самостоятельно (особенно это характерно для системных плат). Поэтому практически невозможно создать универсальную операционную систему, которая работала бы без некоего посредника между собой и множеством разновидностей существующих на сегодняшний день аппаратных средств. Таким посредником (интерфейсом) является BIOS.
3.1.2. Базовая система ввода/вывода (BIOS)
BIOS — это набор небольших программ каждая из которых предназначена для управления одной из основных подсистем компьютера (видео и дисковой системы, клавиатуры и т.п.). Эти функции инициализируется с помощью стандартных вызовов (первоначально разработанных фирмой IBM), осуществляемых операционной системой. Когда операционной системе необходимо, чтобы BIOS выполнила какую-либо стандартную процедуру, то вызывается соответствующая программа BIOS, обслуживающая конкретное устройство в компьютере и разработанная специально для этого устройства. По этой причине для каждой модели системной платы требуется своя BIOS. В рамках принятой методологии BIOS отводится роль связующего звена, позволяющего операционным системам работать с самой разнообразной аппаратурой. Кроме выполнения функций по обслуживанию аппаратных средств, BIOS при каждом включении компьютера проводит процедуру его самопроверки (POST— Power-On Self-Test). Она необходима для того, чтобы проверить все основные подсистемы компьютера перед попыткой загрузить операционную систему. Поскольку для каждой модели системной платы разрабатывается собственная BIOS, она хранится на самой плате в интегральной микросхеме постоянного запоминающего устройства (ПЗУ или ROM — Read-Only Memory). В новейших системах в качестве хранилища BIOS используется электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (flash-ROM), позволяющее модернизировать BIOS без замены самой микросхемы. Поскольку BIOS постоянно хранится в микросхеме, ее часто называют (встроенным программным обеспечением (firmware)).
3.1.3. Встроенные программы и BIOS
Встроенные или зашитые программы (firmware) - особый класс программного обеспечения, получивший свое название из-за того, что хранятся эти программы в ППЗУ микросхем. Все встроенные программы часто называют одним словом “BIOS” (Basic Input/Output System - базовая система ввода-вывода), потому что в первых персональных компьютерах встроенные программы имелись только в микросхемах ПЗУ BIOS (ROM-BIOS). Сейчас это уже не так: почти все компоненты современного персонального компьютера имеют собственные микросхемы ППЗУ со встроенными программами. Жесткие диски, контроллеры SCSI, видеоадаптеры, звуковые карты и большинство других устройств содержат встроенные программы, причем чаще всего доступные не только для чтения.
Ещё посмотрите лекцию "Параллельные и последовательно-параллельные АЦП" по этой теме.
3.1.4. Операционная система
Операционная система (operating system) ос - это программа, управляющая самим персональным компьютером, обеспечивающая выполнение базовых функций, таких как запись на диск и чтение с него или вывод изображения на монитор. На персональном компьютере можно установить любую из десятков существующих операционных систем, включая DOS, Windows 95/98/98SE/Me (все эти системы мы будем обозначать как Windows 9X, а все их, за исключением Windows 95, будем называть Windows 98), Windows NT, Windows 2000, Windows XP, Linux и другие версии Unix, NetWare, BeOS и многие другие. От того, какую операционную систему вы установили на свой компьютер, зависит, какие приложения вы сможете запускать, с каким оборудованием работать (некоторые устройства поддерживаются лишь избранными операционными системами), какие технологии будут вам доступны (например, NT не поддерживает Plug-N-Play и USB) и насколько надежной будет ваша система. Огромное большинство персональных компьютеров работают под управлением Windows 95/98/Me/NT/2000/XP, по крайней мере, на сегодняшний день. Однако нельзя не отметить, что Linux сейчас посягает на монополию Microsoft на рынке операционных систем для настольных компьютеров.
3.1.5. Приложения и программы
Многие думают, что персональный компьютер состоит только из оборудования. Без программ оборудование будет просто бесполезной кучей кремния, металла и пластика. Программы - это последовательности инструкций, позволяющих компьютеру выполнять определенные действия. Программы обычно разделяются на три категории.
Прикладные программы (application programs) - это то, о чем люди думают прежде всего, когда слышат слово software (программное обеспечение). Эти программы предназначены для решения конкретных пользовательских задач, таких как создание текстового документа или электронной таблицы, путешествие в Веб, обмен почтовыми сообщениями, работа с расписанием, создание презентации или восстановление удаленного файла. Количество прикладных программ исчисляется сотнями тысяч. Чего бы вы ни пожелали сделать на своем компьютере - почти наверняка найдется программа, которая поможет вам в этом.
Драйверы устройств (device drivers). Да, мы сказали, что операционная система определяет, какими периферийными устройствами вы сможете пользоваться. Это верно, но лишь косвенно. Операционные системы сами по себе способны работать лишь с самыми простыми, стандартными компонентами системы, такими как память, системные часы и т. д. Драйверы устройств - это небольшие программы, работающие на очень низком уровне и обеспечивающие интеграцию поддержки этих устройств в операционную систему. Использование драйверов устройств позволяет операционным системам быть расширяемыми: установка нового устройства не требует обновления самой операционной системы. Например, если вы устанавливаете новый видеоадаптер, подключение драйвера этого адаптера позволит операционной системе распознать его и использовать все его возможности в полном объеме. Большинство операционных систем содержат в комплекте поставки так называемые “ванилиновые” драйверы (vanilla drivers), которые позволяют использовать устройство не на полную мощность (хорошим примером является драйвер “Стандартный видеоадаптер (VGA)” в Windows), пока вы не найдете “родной” драйвер для этого устройства. Нужно взять себе за правило: при установке нового оборудования загружать самые свежие драйверы устройств от производителя.
