Курынин Р.В., Машечкин И.В., Терехин А.Н. - Конспект лекций по ОС (1114685), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Для кассира работа с этим компьютером и,соответственно, возможности этого компьютера представляются в виде возможностей прикладнойподсистемы, автоматизирующей его рабочее место. Заведомо кассир магазина может не иметьникаких представлений о внутренней организации специализированной вычислительной системы,на которой он работает (тип компьютера, тип операционной системы, состав драйверов ОС и т.п.).Не будет преувеличением утверждение, что не менее 90% современных пользователейперсональных компьютеров не имеют представления о системе команд компьютера, о структурекомпьютерных данных, об аппаратных интерфейсах управления физическими устройствами —все это скрывают расширения компьютера, которые образуются за счет соответствующих уровнейвычислительной системы.
Мы будем говорить, что каждый пользователь, работая всоответствующем расширении компьютера, работает в виртуальной машине или виртуальномкомпьютере. Реальный компьютер используется непосредственно исключительно на аппаратномуровне. Во всех остальных случаях пользователь работает с программным расширениемвозможностей реального компьютера — с виртуальным компьютером. Причем "виртуальность"этого компьютера (или этих компьютеров) возрастает от уровня управления физическимиресурсами ВС до уровня прикладных систем.Вернемся к замечаниям, с которых начали данный раздел, касающихся неоднозначностиопределений многих компонентов вычислительных систем и, в частности, неоднозначностиопределения термина «операционная система».В некоторых изданиях ошибочно ассоциируют понятие виртуального компьютераисключительно с операционной системой. Это не так. Только что мы показали, что29"виртуальность компьютера", с которым работает пользователь вычислительной системы,начинается с уровня управления физическими устройствами и завершается на уровне прикладныхсистем.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 принадлежат прикладнымсистемам или системам программирования. Одной из возможных причин подобнойнеоднозначности является то, что на ранних периодах развития вычислительной техники системыпрограммирования рассматривались в качестве компонента операционных систем.Вычислительная система является продуктом глубокой интеграции ее компонентов, и, безусловно,на удобства работы с ВС и на простоту программирования оказывают влияние и аппаратуракомпьютера, и операционная система, но эти свойства в существенно большей степенихарактеризуют системы программирования и прикладные системы.В настоящем разделе были рассмотрены следующие базовые определения, понятия.Вычислительная система — совокупность аппаратных и программных средств,функционирующих в единой системе и предназначенных для решения задач определенногокласса.
Рассмотрена пятиуровневая модель организации вычислительной системы: аппаратныйуровень,уровеньуправленияфизическимиресурсамиВС,уровеньуправлениялогическими/виртуальными ресурсами, уровень систем программирования и уровень прикладныхсистем. Круг задач, на решение которых ориентирована вычислительная система, определяетсянаполнением уровня прикладных систем, однако возможность реализации тех или иныхприкладных систем определяется всеми остальными уровнями, составляющими структурнуюорганизацию ВС.Физические ресурсы (устройства) — компоненты аппаратуры компьютера, используемыена программных уровнях ВС или оказывающие влияние на функционирование всей ВС.Совокупность физических ресурсов составляет аппаратный уровень вычислительной системы.Драйвер физического устройства — программа, основанная на использовании командуправления конкретного физического устройства и предназначенная для организации работы сданным устройством.
Драйвер физического устройства скрывает от пользователя детальныеэлементы управления конкретным физическим устройством и предоставляет пользователюупрощенный программный интерфейс работы с устройством.Логические, или виртуальные, ресурсы (устройства) ВС — устройство/ресурс, некоторыеэксплутационные характеристики которого (возможно все) реализованы программным образом.Драйвер логического/виртуального ресурса — это программа, обеспечивающаясуществование и использование соответствующего ресурса, для этих целей при его реализациивозможно использование существующих драйверов физических и виртуальных устройств.Ресурсы вычислительной системы — это совокупность всех физических и виртуальныхресурсов данной вычислительной системы.Операционная система — это комплекс программ, обеспечивающий управлениересурсами вычислительной системы.
В структурной организации вычислительной системыоперационная система представляется уровнями управления физическими и виртуальнымиресурсами.Жизненный цикл программы в вычислительной системе — проектирование, кодирование(программная реализация или реализация), тестирование и отладка, ввод программной системы вэксплуатацию (внедрение) и сопровождение.Система программирования — комплекс программ, обеспечивающий поддержаниеэтапов жизненного цикла программы в вычислительной системе.Прикладная система — программная система, ориентированная на решение илиавтоматизацию решения задач из конкретной предметной области.301.2Основы компьютерной архитектурыИзучение принципов структурной организации и функционирования основныхкомпонентов операционной системы невозможно без рассмотрения основ архитектурыкомпьютера.
Настоящая глава посвящена рассмотрению концепций организации компьютера вконтексте его функционирования в составе вычислительной системы. Многие функциональныевозможности операционных систем, такие как организация асинхронной работы с внешнимиустройствами, защита памяти от несанкционированного доступа, организация виртуальнойоперативной памяти, невозможно рассматривать вне поддержки этих функций в аппаратурекомпьютера. На самом деле верно и обратное: многие возможности аппаратуры компьютерасложно представить вне их использования в рамках операционной системы. В процессерассмотрения основ архитектуры мы будем использовать обобщенную модель организации исвойств основных компонентов, составляющих компьютер, достаточную для построенияпредставления о существующих взаимосвязях аппаратных и программных компонентоввычислительной системы, а также для понимания принципов построения операционных систем.1.2.1Структура, основные компонентыСередина 40-х годов прошлого века может вправе считаться сроком зарождениясовременной вычислительной техники.
С этой датой связана публикация американскогоматематика венгерского происхождения Джона фон Неймана (John Von Neumann) отчета порезультатам проектирования компьютера EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer —Электронный Компьютер Дискретных Переменных) под названием «Предварительный доклад окомпьютере EDVAC» (A First Draft Report on the EDVAC). В данном отчете декларировалисьосновные концепции организации компьютеров, которые должны были быть реализованы вEDVAC.
Основными разработчиками этого компьютера были Джон Мочли (John Mauchly) и ДжонПреспер Эккерт (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 внутрикорпоративный отчет,основанный на предложениях Моучли и Эккерта или предложениях, полученных совместноМоучли, Эккертом и фон Нейманом, был подготовлен и опубликован за авторством только Джонафон Неймана. Распространение данного отчета в научной среде породило появление "принциповфон Неймана", которые как минимум должны были именоваться принципами Мочли, Эккерта,фон Неймана. Мы не вправе и не в силах изменить ход истории и сложившуюся терминологию,поэтому в дальнейшем также будем использовать термин "принципы построения компьютера фонНеймана".
Итак, в чем же состояли принципы организации машины фон Неймана?1. Принцип двоичного кодирования информации: все поступающие и обрабатываемыекомпьютером данные кодируются при помощи двоичных сигналов.2. Принцип программного управления. Программа состоит из команд, в которыхзакодированы операция и операнды, над которыми должна выполниться данная операция.Выполнение компьютером программы — это автоматическое выполнение определеннойпоследовательности команд, составляющих программу. В компьютере имеется устройство,обеспечивающее выполнение команд, — процессор. Последовательность выполняемыхпроцессором команд определяется последовательностью команд и данных, составляющихпрограмму.3.
Принцип хранимой программы. Для хранения команд и данных программы используетсяединое устройство памяти, которое представляется в виде вектора слов. Все слова имеютпоследовательную адресацию. Команды и данные представляются единым образом.Интерпретация информации памяти и, соответственно, ее идентификация как команды или какданных происходит неявно при выполнении очередной команды. К примеру, содержимоеслова, адрес которого используется в команде перехода в качестве операнда, интерпретируетсякак команда. Если то же слово используется в качестве операнда команды сложения, то его31содержимое интерпретируется как данные.
Это свойствопрограммной генерации команд с последующим их выполнением.определяетвозможностьОЗУУстройствоввода-выводаЦПВнешнееустройствоРис. 20.Структура компьютера фон Неймана.Рассмотрим упрощенную структуру компьютера фон Неймана (1.2.1):− Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), или основная память, — устройствохранения данных, в котором находится исполняемая в настоящее время программа.− Внешние устройства — программно управляемые устройства, входящие в составкомпьютера, т.е. устройства, с которыми выполняемая программа может обмениватьсяданными.− Процессор, или центральный процессор (ЦП), — основной компонент компьютера,обеспечивающий выполнение программ, процессор координирует работу внешних устройств иоперативной памяти.
Процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) иустройства управления (УУ). Устройство управления обеспечивает последовательнуювыборку команд, составляющих программу, из памяти, выделение и анализ кода операции,получение значений операндов. В зависимости от кода операции команда выполняется либо вустройстве управления (обычно это могут быть команды передачи управления), либо кодоперации и операнды передаются для выполнения в АЛУ. После чего выбирается из памятиследующая команда программы, и т.д. В системе команд компьютера предусмотрены командыобмена с внешними устройствами.Современные компьютеры по многим показателям не соответствуют модели фон Неймана.Ниже мы рассмотрим базовые структурные и функциональные особенности современныхкомпьютеров (1.2.1), уделив особое внимание организации компьютера, как системы,объединяющей разнородные по назначению и производительности аппаратные компоненты,работающей под управлением операционной системы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
