Программное обеспечение

Конечная цель выполнения любой программы – управление аппаратными средствами. Программное и аппаратное обеспечение работают в непрерывном взаимодействии, и их разделение является довольно условным.

Между программами, также как между аппаратными средствами, существует взаимосвязь, поэтому можно говорить о программном интерфейсе. Программный интерфейс основан на протоколах – соглашениях о взаимодействии программ. Всё программное обеспечение вычислительной системы разбивается на несколько взаимодействующих между собой уровней (рис. 18). Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такое разделение программного обеспечения упрощает разработку и эксплуатацию программ. Каждый следующий уровень повышает функциональные возможности всей системы.

Рис. 18. Уровни программного обеспечения.

Базовый уровень. Это самый низкий уровень программного обеспечения. Базовое программное обеспечение отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Обычно оно входит в состав базового оборудования и хранится в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами ПЗУ, или ROM (Read Only Memory). Программы и данные записываются в ПЗУ на этапе его изготовления и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда это необходимо, вместо ПЗУ используются перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства ППЗУ, или EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory). Изменение содержимого микросхем памяти в этом случае производится на специальных устройствах – программаторах.

Системный уровень. Этот уровень обеспечивает взаимодействие прочих программ вычислительной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением. От программ этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы. При подключении к системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая взаимодействие других программ с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств.

Специальный класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Они обеспечивают возможность ввода данных в вычислительную систему, управление её работой и вывод результатов в удобной форме. Эти программы называются пользовательским интерфейсом. От них зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Программы системного уровня образуют ядро операционной системы – совокупности программ, управляющих работой компьютера. Программы более высокого уровня могут быть установлены на компьютере только при наличии на нём системного программного обеспечения. Наличие ядра операционной системы – необходимое условие работы человека на компьютере.

Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программным обеспечением базового уровня, так и с программным обеспечением системного уровня. Служебные программы называются утилитами. Они предназначены для автоматизации работ по проверке, наладке и настройке вычислительной системы, а также для расширения и улучшения функций системных программ.

Прикладной уровень. Программное обеспечение этого уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные работы. Диапазон возможных приложений вычислительной системы зависит от наличия прикладных программ для разных видов деятельности. Широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависит от типа используемой операционной системы.

Классификация служебных программных средств

Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). Выполняют операции по обслуживанию файловой структуры: кодирование, перемещение и переименование файлов, создание каталогов, удаление файлов и каталогов, поиск файлов и пр. Они обычно входят в состав программ системного уровня и устанавливаются вместе с операционной системой.

Средства сжатия данных (архиваторы). Предназначены для создания архивов. Архивирование данных упрощает их хранение и повышает эффективность использования запоминающих устройств, так как архивные файлы имеют повышенную плотность записи данных. Архиваторы используют также для создания резервных копий файлов.

Средства просмотра и воспроизведения. Обычно для работы с файлами данных их необходимо загрузить в программу, с помощью которой они были созданы. Это дает возможность вносить в них изменения. Когда требуется только просмотр без редактирования, удобнее пользоваться более простыми средствами. Когда речь идёт о звукозаписи или видеозаписи, применяют термин воспроизведение.

Средства диагностики. Выполняют диагностику программ и аппаратного обеспечения и выдают результаты в удобном и наглядном виде. В их состав, прежде всего, включаются средства проверки надежности работы жестких дисков. Они включают в себя средства проверки целостности файловой системы и средства физической диагностики поверхности диска.

Средства контроля. Обычно их называют мониторами. Они позволяют следить за процессами, происходящими в компьютере. Возможны два подхода:

• наблюдение в реальном времени;
• контроль с записью результатов в специальном протокольном файле.

Мониторы установки следят за состоянием и изменением окружающей программной среды, отслеживают и протоколируют образование новых связей и позволяют восстанавливать связи, утраченные в результате удаления ранее установленных программ.

Средства коммуникации. Позволяют устанавливать соединения с удаленными компьютерами, обслуживать передачу сообщений по электронной почте, пересылку факсимильных сообщений и пр., работу в компьютерных сетях.

Средства обеспечения компьютерной безопасности. Обеспечивают защиту данных от повреждений, а также от несанкционированного доступа, просмотра и изменения данных. В качестве главного средства защиты используют служебные программы резервного копирования. В качестве средств активной защиты применяются антивирусные программы. Для защиты данных от несанкционированного доступа используются специальные системы, основанные на шифровании данных.

Классификация прикладных программных средств

Текстовые редакторы. Их основные функции – ввод и редактирование данных.

Текстовые процессоры. Позволяют не только вводить и редактировать текст, но и форматировать его, то есть оформлять. К основным средствам текстовых процессоров относятся средства создания документов, содержащих кроме текста также рисунки, таблицы, графики и другие объекты, часть которых может быть создана другими прикладными программами. При этом для форматирования печатных и электронных документов используются различные методы.

Графические редакторы. Предназначены для создания и обработки графических изображений. Различают растровые редакторы, векторные редакторы и программные средства для создания и обработки трехмерной графики.

Растровые редакторы. Представляют графический объект в виде комбинации точек, имеющих цвет и яркость. Такой подход эффективен, когда графическое изображение имеет много полутонов и информация о цвете важнее информации о форме. Это характерно для фотографических и полиграфических изображений. В большинстве случаев рисунок создается обычными средствами, а затем вводится в компьютер с помощью сканера. С помощью растрового редактора создаются специальные эффекты.

В векторном редакторе элементом изображения является линия, а не точка. Это характерно для чертежно-графических работ, когда форма линии важнее информации о цвете. Каждая линия рассматривается как кривая третьего порядка и представляется математической формулой. Такое представление более компактно, чем растровое. Из элементарных объектов создаются геометрические фигуры. Векторные редакторы удобны для создания изображений, но практически не используются для обработки готовых рисунков.

Системы управления базами данных. Базами данных называются большие массивы данных, организованных в табличные структуры. Основные функции систем управления базами данных:

• создание пустой структуры базы данных;
• предоставление средств для её заполнения и импорта данных из таблиц другой базы;
• обеспечение доступа к данным, а также средств поиска и фильтрации.

Системы управления базами данных предоставляют возможность анализа хранимых данных и их обработки. К современным системам управления базами данных предъявляются также требования возможности работы с удаленными и распределенными информационными ресурсами, находящимися на компьютерах, соединенных в компьютерные сети.

Табличные процессоры (электронные таблицы). Предоставляют средства хранения данных различных типов в табличной форме и способы их обработки. Основное свойство электронных таблиц, превратившее их в удобное средство автоматизации вычислений с большими объемами данных, заключается в том, что при изменении содержимого любых ячеек таблицы может происходить автоматическое изменение содержимого всех других ячеек, связанных с ними математическими или логическими выражениями.

6. Классификация ЭВМ и ВС по Флинну: SISD, SIMD, MISD, MIMD.

Таксономия (Классификация) Флинна (англ. Flynn's taxonomy) — общая классификация архитектур ЭВМ по признакам наличия параллелизма в потоках команд и данных. Была предложена в Майклом Флинном в 1966 году и расширена в 1972 году.

В информатике параллели́зм — это свойство систем, при которой несколько вычислений выполняются одновременно, и при этом, возможно, взаимодействуют друг с другом. Вычисления могут выполняться на нескольких ядрах одного чипа с вытеснящим разделением времени потоков вычислений на одном процессоре, либо выполняться на физически отдельных процессорах. Для выполнения параллельных вычислений разработаны ряд математических моделей, в том числе сети Петри, исчисление процессов, модели параллельных случайных доступов к вычислениям и модели акторов.

Всё разнообразие архитектур ЭВМ в этой таксономии Флинна сводится к четырём классам:

· ОКОД — Вычислительная система с о диночным потоком к оманд и о диночным потоком д анных
(SISD, S ingle I nstruction stream over a S ingle D ata stream).

· ОКМД — Вычислительная система с о диночным потоком к оманд и м ножественным потоком д анных
(SIMD, S ingle I nstruction, M ultiple D ata).

· МКОД — Вычислительная система со м ножественным потоком к оманд и о диночным потоком д анных
(MISD, M ultiple I nstruction S ingle D ata).

· МКМД — Вычислительная система со м ножественным потоком к оманд и м ножественным потоком д анных
(MIMD, M ultiple I nstruction M ultiple D ata).

Так как в таксономии в качестве основного критерия используется параллелизм, то таксономия Флинна наиболее часто упоминается в технической литературе^{[5][6][7][4][8]} при классификации параллельных вычислительных систем. Поскольку SISD-машина параллельной машиной не является, а MISD-машины пока ещё не созданы (и их создание не предвидится), всепараллельные вычислительные системы попадают в класс либо SIMD, либо в MIMD.

С развитием технологий классы SIMD и MIMD стали охватывать слишком большой круг машин, кардинально отличных друг от друга. В связи с этим в технической литературе используется дополнительный критерий — способ работы с памятью с точки зрения программиста. По этому критерию системы делятся на «системы с общей памятью» (англ. shared memory, SM) и «системы с распределенной памятью» (англ. distributed memory, DM). Соответственно, каждый класс — SIMD и MIMD — делится на под-классы: SM-SIMD/DM-SIMD и SM-MIMD/DM-MIMD.

Следует обратить особое внимание на уточнение «с точки зрения программиста». Дело в том, что существуют вычислительные системы, где память физически распределена по узлам системы, но для всех процессоров системы она вся видна как общее единое глобальное адресное пространство. Подробнее об этом см. ниже.

SISD

Архитектура SISD — это традиционный компьютер фон-Неймановской архитектуры с одним процессором, который выполняет последовательно одну инструкцию за другой, работая с одним потоком данных. В данном классе не используется параллелизм ни данных, ни инструкций, и следовательно SISD-машина не является параллельной. К этому классу также принято относить конвейерные, суперскалярные и VLIW-процессоры.

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.

SIMD

Типичными представителями SIMD являются векторные процессоры, обычные современные процессоры, когда работают в режиме выполнения команд векторных расширений, а также особый подвид с большим количеством процессоров — матричные процессоры. В SIMD-машинах один процессор загружает одну инструкцию, набор данных к ним и выполняет операцию, описанную в этой инструкции, над всем набором данных одновременно.

Векторный процессор — это процессор, в котором операндами некоторых команд могут выступать упорядоченные массивы данных — векторы. Отличается от скалярных процессоров, которые могут работать только с одним операндом в единицу времени.

SM-SIMD (shared memory SIMD)

К этому под-классу относятся векторные процессоры. В научных вычислениях большая часть операций связана с применением какой-то одной операции к большому массиву данных. Причем эту операцию можно осуществлять над каждым элементом данных независимо друг от друга, то есть присутствовал параллелизм данных, для использования которого и были созданы векторные процессоры.

Векторные процессоры получили распространение в начале 70-ых годов, в первую очередь в суперкомпьютерах тех времен (CDC STAR-100, Cray-1). С середины 70-ых до конца 80-ых все суперкомпьютеры были векторными машинами, и под суперкомпьютером в те годы подразумевалась векторная машина. Векторные суперкомпьютеры до сих по находят применение в промышленности и научных вычислениях, и они до сих пор входят в перечень продукции почти всех ведущих производителей суперкомпьютеров: NEC, Fujitsu, Hitachi, Cray. Развитиеминиатюризации в вычислительной технике позволило добавить векторный способ обработки данных в современные микропроцессоры, где они представлены набором специальных команд-расширений ассемблера. Выполняя их, процессор переходит в векторный режим и превращается на это время в SM-SIMD-машину.

DM-SIMD (distributed memory SIMD)

К этому под-классу относятся так называемые «матричные процессоры». Они представляют собой массив процессоров, которые контролируются одним управляющим процессором, выполняя по его команде одну операцию над своей собственной порцией данных, хранящихся в локальной памяти. Так как обмена данными между процессорами нет, не требуется никакой синхронизации, что позволяет достигать огромных скоростей вычислений и с легкостью расширять систему, просто увеличивая количество процессоров. Для понимания работы матричного процессора достаточно представить себе утренние телевизионные уроки по аэробике, где актер в студии задает движения, а миллионы телезрителей повторяют их в такт одновременно по всей стране.

Так как матричные процессоры можно использовать только на ограниченном круге задач, долгое время они существовали только в виде экспериментальных, узкоспециализированных машин. Кроме того для их производства требовалось создавать специализированные процессоры. Первой попыткой (довольно неудачной) построить матричный процессоры был компьютер ILLIAC IV (англ.) в начале 70-ых годов, второй знаменитой попыткой были машины CM-1 и CM-2 компании Thinking Machines и суперкомпьютеры компании MasPar в начале 80-ых. Развитие миниатюризации в вычислительной технике позволило вернуться к идее матричных процессоров и возродить ее в графических картах (GPGPU), которые используются для высокопроизводительных вычислений.

MISD

К классу MISD ряд исследователей относит конвейерные ЭВМ, однако это не нашло окончательного признания, поэтому можно считать, что реальных систем — представителей данного класса не существует.

Конве́йер — способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью повышения их производительности (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени), технология, используемая при разработке компьютеров и других цифровых электронных устройств.

Идея заключается в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.

MIMD

Класс MIMD включает в себя многопроцессорные системы, где процессоры обрабатывают множественные потоки данных. Сюда принято относить традиционные мультипроцессорные машины, многоядерные и многопоточные процессоры, а также компьютерные кластеры.

По работе с памятью этот класс делится на под-классы.

SM-MIMD (shared memory MIMD)

В эту группу попадают многопроцессорные машины с общей памятью, многоядерные процессоры с общей памятью.

Классический и самый распространенный пример — мультипроцессоры — многопроцессорные SMP-сервера. В таких машинах память каждому процессору видна как общее адресное пространство, и процессоры обмениваются данными друг с другом данными по общей адресной шине через общие переменные (shared variables). Для каждого процессора доступ к любому участку памяти является одинаковым (см. UMA).

Достоинства: относительно легко программировать, поддержка SMP существует уже давно во всех ведущих операционных системах.

Недостатком данных машин является их невысокая масштабируемость: чем больше процессоров в системе, тем выше становится нагрузка на общую шину. В коммерческих вариантах таких систем максимальное число процессоров не превышает 64.

Как уже было сказано выше, память, которая программисту видна как одно общее адресное пространство, может быть физически распределена по узлам системы. Такой подкласс машин называется DSM-MIMD (distributed shared memory MIMD). В этом подклассе машин у каждого процессора имеется своя локальная память, а к другим участкам памяти процессор обращается через высокоскоростное соединение. Так как доступ к разным участкам общей памяти является неодинаковым (к своему локальному участку быстрее, к другим — медленнее), то такие системы носят название NUMA (от Non-Uniform Memory Access). Так как память физически распределена, возникает трудность с тем, чтобы каждый процессор видел в памяти изменения, сделанные другими процессорами. Придумано несколько способов решения этой проблемы: через согласование кэша — ccNUMA, без согласования кэша — nccNUMA.

NUMA-системы имеют более высокую масштабируемость, позволяя создавать массово-параллельные вычислительные системы, где число процессоров достигает нескольких тысяч.Модель программирования в таких системах остается прежней — потоки исполнения обмениваются друг с другом данными через общие переменные.

DM-MIMD (distributed memory MIMD)

В этот под-класс попадают многопроцессорные MIMD-машины с распределенной памятью.

У каждого процессора имеется своя собственная локальная память, которая не видна другим процессорам. Каждый процессор в такой системе выполняет свою задачу со своим набором данных в своей локальной памяти. Если процессору нужны данные из памяти другого процессора, данный процессор обменивается с другим процессором сообщениями, то есть в таких системах используется модель программирования Message Passing, с помощью Parallel Virtual Machine (PVM) или какой-нибудь реализации Message Passing Interface (MPI).

Главное преимущество DM-MIMD машин — их высокая масштабируемость, позволяющая создавать массово-параллельные системы из несколько сотен тысяч процессоров.

Компьтерные кластеры типа Beowulf тоже относятся к этому классу как Network of Workstations.

SPMD и MPMD

В специализированной литературе можно встретить еще такие подклассы MIMD-класса: SPMD (Single Program Multiple Data) и MPMD (Multiple Programs Multiple Data).

SPMD (Single Program Multiple Data) — описывает систему, где на всех процессорах MIMD-машины выполняется только одна единственная программа, и на каждом процессоре она обрабатывает разные блоки данных.

MPMD (Multiple Programs Multiple Data) — описывает систему, а) где на одном процессоре MIMD-машины работает мастер-программа, а на других подчиненная программа, работой которой руководит мастер-программа (принцип master/slave или master/worker); б) где на разных узлах MIMD-машины работают разные программы, которые по-разному обрабатывают один и тот же массив данных (принцип coupled analysis), большей частью они работают независимо друг от друга, но время от времени обмениваются данными для перехода к следующему шагу.

Особенности

Отношение конкретных машин к конкретному классу сильно зависит от точки зрения исследователя. Так, конвейерные машины могут быть отнесены и к классу SISD (конвейер — единый процессор), и к классу SIMD (векторный поток данных с конвейерным процессором) и к классу MISD (множество процессоров конвейера обрабатывают один поток данных последовательно), и к классу MIMD — как выполнение последовательности различных команд (операций ступеней конвейера) на множественным скалярным потоком данных (вектором).

Рассматривая вычислительный комплекс на разных уровнях интеграции, его можно относить к разным классам: например, высокопроизводительный массово-параллельный суперкомпьютер ASCI Blue Pacific являлся DM-MIMD-машиной, где каждый узел общался с другим с помощью передачи сообщений (message passing), но каждый узел в этом суперкомпьютере в свою очередь представлял собой многопроцессорный SMP-сервер RS/6000, то есть являлся SM-MIMD-машиной. В то же время высокопроизводительный массово-параллельный суперкомпьютер ASCI Blue Mountain являлся системой SMP-серверов (SM-MIMD), связанных в общую машину с распределенной общей памятью (то есть DSM-MIMD).

7. Система команд

Систе́ма кома́нд (также набо́р команд) — соглашение о предоставляемых архитектурой средствах программирования, а именно: определённых типах данных, инструкций, системы регистров, методов адресации, моделей памяти, способов обработки прерываний и исключений, методов ввода и вывода.

Система команд представляется спецификацией соответствия (микро)команд наборам кодов (микро)операций, выполняемых при вызове команды, определяемых (микро)архитектурой системы. (При этом, на системах с различной (микро)архитектурой может быть реализована одна и та же система команд. Например, Intel Pentium и AMD Athlon имеют почти идентичные версии системы команд x86, но имеют радикально различный внутренний дизайн.)

Базовыми командами являются, как правило, следующие:

· арифметические, например «сложения» и «вычитания»;

· битовые, например «логическое и», «логическое или» и «логическое не»;

· присваивание данных, например «переместить», «загрузить», «выгрузить»;

· ввода-вывода, для обмена данными с внешними устройствами;

· управляющие инструкции, например «переход», «условный переход», «вызов подпрограммы», «возврат из подпрограммы».

Оптимальными в различных ситуациях являются разные способы построения системы команд.

· Если объединить наиболее часто используемую последовательность микроопераций под одной микрокомандой, то надо будет обеспечивать меньше микрокоманд. Такое построение системы команд носит название CISC (Complex Instruction Set Computer), в распоряжении имеется небольшое число составных команд.

· С другой стороны, это объединение уменьшает гибкость системы команд. Вариант с наибольшей гибкостью — наличие множества близких к элементарным операциям команд. ЭтоRISC (Reduced Instruction Set Computer), в распоряжении имеются усечённые, простые команды.

· Ещё большую гибкость системы команд можно получить используя MISC подход, построенный на уменьшении количества команд до минимального и упрощении вычислительного устройства обработки этих команд.

8. Понятие о рабочем цикле. Рабочий цикл 3-х адресной команды.

Функционирование процессоров в основном состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует выполнению одной команды программы. Завершив рабочий цикл для текущей команды, процессор переходит к выполнению рабочего цикла для следующей команды программы. В общем виде команды, выполняемые процессором, имеют следующий формат:

КОП

Аk

КОП - код операции, затребованной в команде, А_k - адресный код.

В зависимости от того, сколько полей содержит адресный код различают команды: безадресные, одноадресные, двухадресные и т.д.

Схема рабочего цикла процессора представлена на рисунке 1.4.

На схеме показаны варианты рабочего цикла для четырех групп команд:

1. основных (арифметические, логические и пересылочные операции)
2. передачи управления
3. ввода-вывода
4. системных (устанавливающих состояние процессора, маску прерывания, слово состояния программы и др.)

Рабочий цикл начинается с распознавания состояния процессора - "счет" или "ожидание". Далее производится проверка наличия немаскированных прерываний.

В состоянии "ожидание" никакие программы не выполняются - процессор ждет поступления прерывания, после чего управление передается прерывающей программе, переводящей процессор в состояние "счет".

В состоянии "счет" при наличии немаскированных прерываний происходит выход из нормального рабочего цикла и переход к процедуре обработки запросов прерывания.

При отсутствии прерываний в состоянии "счет" последовательно выполняются этапы рабочего цикла: выборка очередной команды и определение по коду операции ее группы, подготовка операндов (формирование исполнительных адресов и выборка операндов из памяти), обработка операндов в АЛУ и запоминание результата.

На этапе выборки очередной команды образуется согласно естественному порядку адрес следующей за ней команды (продвинутый адрес), при этом счетчик команд инкрементируется.

В процессе выполнения заданной командой операции формируется признак результата операции, используемый командами условного перехода при организации ветвлений в программах.

Указанная выше последовательность составляет основной вариант рабочего цикла, реализуемый при выполнении основных команд.

При выполнении команд передачи управления проверяется заданное условие. Если условие не выполняется, то следующую команду указывает продвинутый адрес, установленный ранее в СчК. Если условие выполняется, то в СчК передается адрес, заданный командой передачи управления.

Команды ввода-вывода инициируют в канале операцию обмена информацией между ядром ЭВМ (основной памятью) и периферийным устройством.

Системные команды осуществляют переключения состояния процессора (программы) путем загрузки нового слова в регистр состояния процессора.

Кодировать команды процессора можно различными способами, в зависимости от разрядности процессора, а также от наличия и свойств некоторых внутренних объектов процессора. Формат команды обычно соответствует разрядности процессора – если процессор, к примеру, 8-разрядный, то и основные команды тоже должны быть восьмиразрядными. Если процессор 32-разрядный, то и команда должна быть 32-разрядной. Чтобы сформулировать некоторые команды, разрядности процессора может не хватить, и тогда команда может состоять из двух слов. Для 8-разрядных процессоров эта ситуация типична, в 32-разрядных – встречается реже.

Дата добавления: 2015-03-29