2011. Машбук (1114722), страница 4
Текст из файла (страница 4)
3).1.1Основы архитектуры вычислительной системыСовременный компьютер и его программное обеспечение невозможнорассматривать в отдельности друг от друга. Рассматривая функционирование компьютера,мы всегда имеем в виду функционирование системы, в которой интегрированыаппаратура компьютера и его программное обеспечение. Результатом этой интеграцииявляется вычислительная система (ВС), возможности и эксплуатационные качествакоторой определяются как аппаратурой компьютера, так и функционирующим на немпрограммным обеспечением. Вычислительную систему можно определить, каксовокупность аппаратных и программных средств, функционирующих в единой системе ипредназначенных для решения задач определенного класса. Рассмотрим структурнуюорганизацию вычислительной системы.1.1.1 Структура ВСТрадиционным представлением структуры вычислительной системы являетсяпирамида (Рис.
4). Каждый из уровней пирамиды определяет свой уровень абстракциисвойств вычислительной системы. Основанием является аппаратный уровеньвычислительной системы — это основа всей иерархии, так как многие характеристики ифункциональные возможности последующих программных уровней существенноопределяются свойствами аппаратуры компьютера, находящегося в основевычислительной системы.Представление о возможностях и свойствах конкретной вычислительной системыформируются с позиций каждого из уровней структурной организации. Таквычислительная система представляется пользователю прикладной системы, работающейна компьютере, в виде совокупности возможностей этой прикладной системы. Примеромможет служить игровой автомат, являющийся компьютером, на котором функционируетоперационная система, а также игровая программа, которая в данном случае являетсяприкладной системой.
Пользователю данной специализированной вычислительнойсистемы ее свойства представляются в виде функциональных возможностей игровойпрограммы и итоговой производительностью системы (если процессор компьютерамаломощный, до динамика игры может быть недостаточной).Другой пример — компьютер, используемый для обучения школьников языкупрограммирования. Это означает, что для школьника или его учителя свойства даннойвычислительной системы будут представляться с позиций уровня системыпрограммирования, построенной на основе транслятора языка программирования, накотором идет обучение. Представление свойств вычислительной системы в данном случаебудет формироваться из пользовательского интерфейса системы программирования всочетании со свойствами и производительностью аппаратных компонентов компьютера.10ПрикладныесистемыСистемыпрограммированияУправление логическими/виртуальными устройствамиУправление физическимиустройствамиВСОСАппаратные средстваРис.
4.Структура вычислительной системы.Взаимосвязи уровней иерархической структуры вычислительной системы, иххарактеристики могут проявляться как в виде непосредственных межуровневыхинтерфейсов, определенных однозначным набором правил использования объектоводного уровня другим, так и косвенным влиянием одного уровня на другой. Примеромподобного косвенного взаимодействия может служить влияние, оказываемое нахарактеристики функционирования всей вычислительной системы в целом,производительности или емкости аппаратных компонентов компьютера (внешнихустройств, процессора, оперативной памяти, линий связи и пр.). В качестве иллюстрациирассмотрим вычислительную систему, имеющую канал связи, обеспечивающий доступ вИнтернет со скоростью 64 Kbps. Данная система сможет обеспечить достаточнокомфортные условия для интенсивной работы в Интернете одного–двух пользователей.Если количество пользователей возрастет до 10, будут возникать задержки при обработкезапросов, что снизит качество работы пользователей.
При росте числа пользователей до100, организовать их интенсивную работу в Интернете на данной вычислительной системене представляется возможным, т.к. пропускная способность канала связи не справится спотоком запросов, поступающих от пользователей. Таким образом, проявляется косвенноевлияние пропускной способности канала связи на эксплуатационные характеристики (иликачества) вычислительной системы.Рассмотрим основные характеристики и суть взаимосвязи уровней пирамиды,представляющей структуру вычислительной системы.1.1.2 Аппаратный уровень ВСИтак, аппаратный уровень вычислительной системы определяется наборомаппаратных компонентов и их характеристик, используемых вышестоящими уровнямииерархии и оказывающих влияние на эти уровни.
С позиций уровней, расположенныхвыше, аппаратный уровень предоставляют т.н. физические ресурсы, или физическиеустройства вычислительной системы. Каждому физическому ресурсу соответствуютопределенные аппаратные компоненты компьютера и их характеристики. Физическимиресурсами являются процессор компьютера, оперативная память, внешние устройства,входящие в состав компьютера. Каждому физическому ресурсу вычислительной системыобычно соответствуют следующие характеристики:правила программного использования, определяющие возможностькорректного использования данного ресурса в программе (для процессоракомпьютера эти правила описывают машинный язык — систему команд11данного компьютера, на основании которой возможно построениеработающей программы, для внешнего устройства компьютера подобныеправила описывают способы программного управления даннымустройством, к примеру, это могут быть специальные команды вводавывода процессора);параметры физического ресурса, характеризующие его объемныехарактеристики и/или производительность (для процессора компьютератаким параметром может служить его тактовая частота, а для внешнегозапоминающего устройства — объем информации, которая может хранитьсяна данном устройстве и скорость доступа);степень использования данного физического ресурса в вычислительнойсистеме — это параметры, которые характеризуют степень занятости илииспользуемости данного физического ресурса (для процессора компьютератакой характеристикой является время его работы, затраченное навыполнение программ пользователей, для оперативного запоминающегоустройства это будет объем используемой памяти, для линий связи — это еезагруженность).В принципе нет единого правила формирования этих характеристик для любогофизического ресурса: они зависят от конкретного устройства компьютера, от архитектурыкомпьютера, от стратегии использования данного ресурса.
Так, например, для одного итого же внешнего устройства правила его программного использования могутсущественно отличаться от того, каким образом данное устройство подключено ккомпьютеру. Об этом более подробно будет рассказано несколько позднее, в пункте,посвященном внешним устройствам компьютера (см. раздел 2). Тем не менее, данныехарактеристики служат для обеспечения взаимосвязи аппаратного уровня вычислительносистемы с последующими уровнями иерархии.Если мы будем рассматривать уровни организации вычислительной системы сточки зрения возможностей и средств программирования, то на аппаратном уровнепользователю вычислительной системы предоставлены в качестве средствпрограммирования система команд компьютера и аппаратные интерфейсы программноговзаимодействия с физическими ресурсами, что на самом деле практически полностьюсовпадает со средствами программирования, которые были доступны программистам наранних этапах освоения компьютеров первого поколения.1.1.3 Управление физическими ресурсами ВСУровень управления физическими ресурсами — это первый уровень системногопрограммного обеспечения вычислительной системы.
Его назначение — систематизацияи стандартизация правил программного использования физических ресурсов. Дляиллюстрации проблемы вернемся во времени к компьютерам первого поколения.Начальный этап зарождения вычислительной техники был этапом структурного «хаоса»:вычислительная система представлялась двухуровневой моделью, состоящей из уровняаппаратуры компьютера и уровня всего программного обеспечения. Программапользователя включала в себя как кодовую часть, реализующую решение конкретнойприкладной задачи, так и часть, которая обеспечивала взаимодействие с физическимиустройствами компьютера (в большинстве случаев речь шла об управлении внешнимиустройствами компьютера).
Программирование управления физическими устройствами —достаточно кропотливая работа, при которой необходимо учитывать сложную логикуорганизации взаимодействия с конкретным устройством компьютера. Для адаптациивозможности программы для работы с другими типами устройств требоваласьсущественная модификация кода программы в части, обеспечивающей это12взаимодействие, что приводило к существенным трудозатратам, а также снижалонадежность программы из-за роста риска внесения ошибок в логику ее работы.Частичным решением этих проблем стало появление специальных стандартныхпрограмм — драйверов физических ресурсов (или драйверов физических устройств).Драйвер физического устройства — программа, основанная на использовании командуправления конкретного физического устройства и предназначенная для организацииработы с данным устройством.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
