Преобразование двоичных чисел в десятичную систему счисления. 3 страница

С точки зрения самого высокого уровня — уровня всей системы — каждый из этих модулей считается черным ящиком, но на следующем более низком уровне каждый модуль высокого уровня рассматривается как взаимосвязанное множество модулей следующего более низкого уровня, опять, возможно, дополненное простыми модулями. Каждый модуль следующего более низкого уровня снова разбивается на модули еще более низкого уровня и так далее до самого низкого уровня иерархической цепи (рис. 12).

Рис.12

Простым модулем называется такой модуль, который не разбивается на модули более низкого уровня.

2.Принцип открытой архитектуры

В большинстве случаев пользователю черного ящика нет необходимости знать детальный отклик выхода на входное воздействие. Например, неважно, когда точно изменится выходной сигнал в ответ на изменение входного сигнала, до того как он будет использован.

Таким образом, модули (т. е. черные ящики) могут быть описаны с помощью допустимых отклонений, а не точных значений. Это приводит к стандартизированным модулям, и далее в свою очередь к возможности использования многих идентичных, ранее созданных (т. е. готовых) модулей в той же самой системе.

Принцип открытой архитектуры в технологии ЭВМ – правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый блок должен быть совместим со старым и устанавливаться в том же месте в компьютере.

3.Магистрально-модульный принцип построения компьютера

В качестве примера иерархического подхода можно представить вычислительную систему как множество процессорных модулей, множество модулей памяти, множество внешних устройств и шинный модуль.

Шинный модуль (магистраль, системная шина) в такой конфигурации является простым модулем.

К нему подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Конструктивно модули реализованы в одном устройстве получившее название системная(материнская) плата. На ней реализована магистраль, разъемы для установки процессора и слоты для подключения оперативной памяти и контроллеров внешних устройств.

Шинный модуль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой линии связи.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники и в настоящее время составляет 64 бит.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса (32, 64 бит).

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

генератор тактовой частоты

процессор

  Память (ОЗУ)

шина данных (8, 16, 32, 64 бит)

Магистральный

шина адреса (16, 20, 24, 32, 36, 64 бит) интерфейс

шина управления (чтение, запись)

Рис 13

Процессор является основным модулем компьютера. В соответствии с его определением в модели фон Неймана он включает управляющее и обрабатывающее устройства с соответствующими регистрами.

В процессорах имеется также система внутренних шин, абонентами которой являются блоки самого процессора. По внутренним шинам передаются команды, операнды и адреса, то есть осуществляется обмен содержательной информацией между внутренними регистрами и блоками процессора. Внутренние шины осуществляют передачи данных намного быстрее, чем внешняя шина, и от пропускной способности внутренних шин во многом зависит быстродействие процессора. Кроме того, в процессоре существует сеть передачи управляющих сигналов, включающих в работу блоки и схемы процессора.

Управляющее устройство - это центральная часть процессора, которая задает ритм работы всех его устройств и организует их согласованное взаимодействие.

С устройством управления тесно связана электронная схема - генератор тактовой частоты, выдающая тактирующие импульсы.

Электронные схемы всех устройств, входящих в процессор, срабатывают только в дискретные моменты времени, связанные с появлением на входах этих схем тактирующих импульсов. Время работы отдельных устройств измеряют числом тактов, необходимых для этого.

Говорят о тактовой частоте процессора, имея в виду частоту появления тактовых импульсов. Эта частота измеряется в герцах (числом импульсов в одну секунду).

Тактовая частота - важнейший технический параметр, определяющий быстродействие процессора. Различные операции для своего выполнения требуют различного количества тактов. Самые короткие, например, логические операции, требуют для своего выполнения всего один такт; некоторые, например деление, могут потребовать более десяти тактов.

К основным техническим характеристикам процессора, как правило, относят тактовую частоту и его разрядность. Некоторое представление об эволюции персональных компьютеров можно составить из следующих таблиц.

Таблица 10. Поколения ЭВМ

Поколение ЭВМ	Элементы памяти	Аппаратные средства	Программные средства
Первое поколение (1945—1954)	Ультразвуковые линии задержки, ЭЛТ	Операционный блок с фиксированной запятой	Машинный язык, язык ассемблера
Второе поколение (1955—1964)	Память на магнитных сердечниках, магнитные диски	Операционный блок с плавающей запятой, индексный регистр, процессор ввода-вывода (ПВВ)	Языки высокого уровня, библиотека подпрограмм, монитор пакетного режима
Третье поколение (1965—1974)	ЗУ на магнитных сердечниках, ИС памяти	Микропрограммное правление, конвейерная обработка, кэшпамять, миникомпьютеры, микропроцессоры	Мультипрограммирование, мультипроцессирование, операционная система (ОС), виртуальная память
3,5-е поколение (1975—1984)	БИС памяти	Мультиплексный конвейер, встроенный матричный процессор, супер-ЭВМ, многопроцессорные системы, персональные компьютеры, рабочие станции	Многосегментная виртуальная память, виртуальные машины, базы данных, векторизатор, языки искусственного интеллекта
Четвертое поколение (1985-?)	СБИС памяти	Компьютерные сети, разделение рабочих станций по назначению проектирование, ИИ, коммерция), услуги компьютерных сетей	Виртуальная аппаратура, виртуальная машина, распределенные ОС, сетевая архитектура, экспертные системы

Внутренняя память состоит из оперативной памяти, кэш-памяти и специальной памяти (ПЗУ).

Оперативная память организована в виде линейной структуры, то есть как множество ячеек, каждая их которых имеет свой адрес. Ячейка имеет размер один байт. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

где I – разрядность шины адреса.

Например: Если разрядность шины адреса составляет 64 бита, то количество адресуемых ячеек памяти равно: N=2⁶⁴ ячеек памяти.

Кэш-память. Быстродействие процессора существенно выше, чем скорость обмена данными с оперативной памятью. Для снижения времени простоя процессора используется более быстрая кэш-память, в которую загружаются отрезки линейной оперативной память (кэш второго уровня). При передаче на кэш первого уровня, с которым и взаимодействует центральный процессор, дополнительно обеспечивается разделение операторов и операндов. Соответственно, кэш первого уровня подразделяется на кэш данных и кэш команд.

С труктура КЭШ-памяти

Арифметическое и логическое устройство

КЭШ-память данных

КЭШ-память команд

1 уровень

КЭШ-память

2 уровень

Рис 14

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Центральный процессор машины (ЦП) разработан таким образом, что при его включении выполняемая им программа каждый раз стартует с определенного, наперед заданного адреса. Следовательно, именно в этом месте основной памяти ЦП ожидает найти первую команду, которую требуется выполнить. Чтобы гарантировать, что требуемая программа всегда будет присутствовать на указанном месте, этот участок памяти обычно конструируется так, чтобы его содержание было неизменным.

Такая память носит название постоянной памяти (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ).

Последовательность битов, однажды помещенная в ПЗУ с помощью специального процесса, аналогичного напылению проводников на подложку чипа, находится там постоянно, независимо от того, включена машина или выключена.

В микрокомпьютерах, используемых в качестве управляющих приборов в микроволновых печах, автомобильных системах зажигания, представляется удобным выделить значительный объем основной памяти под ПЗУ, так как гибкость в таких системах не нужна.

При каждом включении выполняется одна и та же программа. Но в случае с универсальными компьютерами ситуация другая и в них не практикуется отведение большого объема основной памяти под постоянные программы. Содержимое памяти таких машин должно быть изменяемым.

Фактически большая часть памяти универсальных компьютеров в настоящее время сконструирована так, что ее содержимое может не только изменяться, но и теряться при выключении машины. Такая память называется энергозависимой. Поэтому для начальной загрузки в компьютерах общего назначения лишь малая часть основной памяти строится из микросхем ПЗУ. Эта область содержит ячейки памяти, в которых ЦП ожидает найти команды, выполняемые при включении машины.

Программа, которая постоянно находится в этой области памяти, называется программой начальной загрузки.

Эта программа выполняется автоматически при каждом включении компьютера. Она предписывает ЦП считать данные из заранее определенного участка массовой памяти в энергозависимую основную память. В большинстве случаев этими данными является программный код операционной системы.

Внешняя (массовая) память. В связи с невозможностью постоянного хранения данных и ограниченным объемом основной памяти компьютера большинство машин обеспечивается устройствами дополнительной памяти, которые называются внешней (массовой) памятью, или запоминающими устройствами.

Основной функцией внешней памяти компьютера является долговременное хранение информации.

Физически внешняя память может быть выполнена на различных носителях. Наиболее популярными из них являются:

-магнитная память емкостью порядка 1 Тбайт и скоростью доступа до 1 Мбайт/с,

-оптическая память емкостью порядка нескольких Гбайт и немного более высокой скоростью доступа, чем у магнитной памяти,

-полупроводниковая или флэш-память емкостью и скоростью доступа, сопоставимой с оптической памятью, но более компактная.

Контроллеры и порты внешних устройств. Внешние устройства подключаются к процессору через специальные устройства, называемые контроллеры, с помощью специальных разъемов на материнской плате компьютера.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Порты устройств представляют собой электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно.

Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

Адаптером называется блок соединения, сопряжения нескольких устройств компьютера с разными форматами представления данных.

Устройства ввода вывода. Консоль.Клавиатура служит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши: управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру.

Клавиатура имеет встроенный буфер — промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом — это означает, что символ не введён (отвергнут).

Работу клавиатуры поддерживают специальная программа «драйвер клавиатуры», который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

клавиатура

дисплей

винчестер

CD-ROM

контроллер

контроллер

контроллер

контроллер

Магистральный интерфейс

процессор

ОЗУ

ПЗУ

тактовый генератор генератор

Материнская плата

Консоль

Массовая память

Рис 15.

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

-монитор (называемый также дисплеем);

-видеоадаптер;

- драйверы видеосистемы.

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы, а программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Монитор — устройство визуального отображения информации.

4.Вопросы для самопроверки

1. Что входит в базовую конфигурацию компьютера?

2. Что представляет собой процессор?

3. Из каких внутренних схем состоит процессор?

4. Перечислите основные параметры процессора.

5. Что характеризует разрядность процессора?

6. Что характеризует тактовая частота процессора?

7. Назовите наиболее важные характеристики запоминающих устройств.

8. Какие запоминающие устройства являются внутренними?

9. Какие устройства относятся к внутренним запоминающим устройствам?

10. Что такое внутренняя память процессора?

11. Что такое кэш-память?

12. Какие запоминающие устройства являются внешними?

7.Операционная система. Общие сведения

Программное обеспечение можно разбить на две большие группы:

-системные программы, управляющие работой компьютера,

- прикладные программы, выполняющие задачи пользователя.

Центральное место среди системных программ занимает операционная система, она управляет всеми системными ресурсами и обеспечивает основу, на которой можно писать прикладные программы.

1.Структура и функции операционной системы

Введем определение:

Операционная система — это комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого — организовать взаимодействие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.

Другими словами, операционная система (ОС) определяет основные принципы общения человека с компьютером.

Она скрывает от пользователя технические особенности ЭВМ, образуя прослойку между ними. В результате этого человек освобождается от трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.

Операционная система, как правило, хранится в массовой памяти компьютера — на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ.

Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

В минимальной конфи­гурации ОС для персонального компьютера, ориентированного на профессиональное применение, должна содержать следующие основные компоненты:

— интерфейс пользователя,

— файловую систему,

— драйверы внешних устройств.

Оболочка. Часть операционной системы, которая обеспечивает интерфейс операционной системы с пользователями, часто называют оболочкой. Современные оболочки выполняют эту задачу с помощью графического интерфейса пользователя.

Главным компонентом современных графических оболочек является программа управления окнами, которая распределяет отдельные блоки пространства экрана, называемые окнами, и отслеживает, какое приложение ассоциируется с каждым из этих окон.

Командный язык. Во вся­кой операционной системе имеется командный язык, который позволяет выполнять те или иные действия: обращение к каталогу, разметку внешних носителей, запуск программ и др.

Кроме ввода отдельных команд, которые немедленно выполняются, имеется возможность составления программ на командном языке, с помощью которых можно задать довольно сложную последователь­ность действий, не прибегая к обычному языку программирования.

Ядро. В отличие от оболочки операционной системы, ее внутренняя часть обычно называется ядром, которое включает компоненты программного обеспечения, выполняющие основные функции в процессе приведения компьютера в рабочее состояние.

Одним из этих компонентов является программа управления файлами, в задачу которой входит координация использования устройств массовой памяти машины.

2.Файловая система

Файл — это место постоянного хранения информации — программ, данных для их работы, текстов, закодированных изображений и др.

Реализуются файлы как участки памяти на внешних носителях.

Каждый файл имеет имя, зареги­стрированное в каталоге — оглавлении файлов.

Каталог (иногда назы­ваемый директорией или папкой) доступен пользователю через графический интерфейс пользователя или командный язык операционной системы — его можно просматривать, переименовывать зарегистрированные в нем файлы, переносить их содержимое на новое место и удалять.

Каталог может иметь собственное имя и храниться в другом каталоге наряду с обычными файлами; так образуются иерар­хические файловые структуры.

К файловой системе имеет доступ также и любая прикладная программа, для чего во всех языках программирования имеются спе­циальные процедуры.

Любой доступ к файлу со стороны других компонентов программного обеспечения предоставляется и контролируется программой управления файлами.

Процедура получения доступа к файлу начинается с запроса к программе управления файлами (этот запрос выполняется в рамках процедуры открытия файла). Если программа управления файлами разрешает доступ, то она предоставляет информацию, необходимую для поиска файла и работы с ним.

Эта информация записывается в область основной памяти, называемую дескриптором файла. Любые действия с файлом осуществляются посредством обращения к информации, содержащейся в дескрипторе файла.

Понятие файла может быть обобщено на любой источник или потребитель информации в машине, например, коммуни­кационный канал, принтер, дисплей, клавиатуру и др. Такая трактовка, принятая в развитых ОС, например, в системе UNIX, создает удобства для организации взаимодействия программ и обмена информацией с внешними устройствами.

Для персональной ЭВМ файловая система в определенной степени является сердцевиной всего системного программного обеспечения. Структура файловой системы и структура хранения данных на внешних магнитных носителях определяют удобство работы пользователя, ско­рость доступа к файлам, возможность создания хороших баз данных и т. д.

От файловой системы во многом зависит организация многопользовательской работы, если она поддерживается на данной мо­дели ЭВМ.

В однозадачных ОС (не поддерживающих параллельную работу нескольких программ) файловая система является наиболее крупной составной частью.

3.Драйверы внешних устройств

Другой компонент ядра операционной системы представляет собой набор драйверов устройств, т.е. элементов программного обеспечения, взаимодействующих с контроллерами устройств в целях выполнения различных операций в периферийных устройствах машины.

Каждый драйвер устройства специально разрабатывается для конкретного типа устройства (например, принтера, дисковода, накопителя на магнитных лентах или монитора). Он преобразует поступающие запросы в последовательность команд выполнения отдельных физических операций, которые требуется выполнить устройству, связанному с этим драйвером.

Более того, даже стандартные устройства, например принтеры, могут иметь несколько режимов работы и считаться, вследствие этого, разными устройствами. Каждое ВУ характеризуется своей пропуск­ной способностью и структурой передаваемых/принимаемых данных. Поддержка широкого набора ВУ — одна из важнейших функций ОС.

Конфигурирование системы. Удобная рабочая обстановка для пользователя ПЭВМ может быть создана в результате продуманного конфигурирования и начальной настройки системы. ОС дает возможность при запуске машины авто­матически задавать определенные начальные условия, которые влияют на дальнейшую работу пользователя. Осуществляется это с помощью содержимого двух особых файлов:

CONFIG.SYS

AUTOEXEC.BAT

Указанные файлы, если они имеются в корневом каталоге систем­ного диска, обрабатываются при любом включении или перезапуске машины (напомним, что перезапуск осуществляется путем одновремен­ного нажатия трех клавиш — Alt, Ctrl и Del или нажатием специаль­ной кнопки, если она есть на машине). Рассмотрим, что может быть задано в указанных файлах.

С помощью файла конфигура­ции можно расширять операционную систему и изменять некоторые параметры, влияющие на работу внешних устройств. Одно из важней­ших свойств ОС состоит в возможности добавления новых внешних устройств и подключения специальных программ, обеспечивающих управление их работой. Эти программы, называемые драйверами внешних ус­тройств, можно включить в систему, перечислив их в файле CONFIG.SYS. Помимо этого в файле конфигурации можно указать, сколько файлов в системе может быть открыто одновременно, задать количество буферов для обменов с внешними накопителями и некоторые другие параметры.

Пример 1. Рассмотрим типичный вид файла CONFIG.SYS:

break=on

files =12

device=c:\sys\alfa.sys

device=c:\sys\vdisk.sys

device=c:\sys\ansi.sys

device=c:\sys\mouse.sys

device=c:\sys\tosh.sys

В первой строке с помощью выражения BREAK=ON устанавли­вается режим, при котором пользователь будет иметь возможность пре­рвать любую работающую программу при определенных условиях. Для этого дается команда прерывания, вызываемая одновременным нажа­тием управляющих клавиш Ctrl и Break.

Работающая программа будет прервана, если эти клавиши оказываются нажатыми в момент выполнения операций ввода/вывода (включая печать на принтере, обмен с дисками и др.).

Во второй строке командой FILES=12 устанавливается, что количество одновременно открытых файлов может достигать 12, что довольно часто требуется в программах, интенсивно работающих с фай­ловой системой (базах данных, картотеке и др.).

Пять следующих строк имеют одинаковый вид и содержат команды подключения к ОС дополнительных внешних устройств. В правой части каждого выражения, после знака равенства, задается имя файла, являющегося драйвером нового устройства (такой файл содержит про­грамму в машинном коде, создаваемую по особым соглашениям).

4.Управление памятью

Еще один компонент ядра операционной системы — программа управления памятью, которая решает задачу координации использования машиной ее основной памяти.

В среде, где машина выполняет только одно задание в каждый момент времени, обязанности этой программы минимальны. В этом случае необходимая текущему заданию программа помещается в основную память, выполняется, а затем заменяется программой для последующего задания.

Однако в многопользовательской среде или в среде со многими задачами, когда машина должна обрабатывать множество запросов, поступающих в одно и то же время, у программы управления памятью обширные обязанности.

В этой ситуации в основной памяти одновременно должно находиться множество программ и блоков данных, причем каждая из программ занимает собственную область памяти, отведенную ей программой управления памятью.

По мере того как возникает необходимость в выполнении различных действий и после их окончания, программа управления памятью должна находить области памяти для удовлетворения возникающих потребностей в памяти, а также отслеживать информацию о тех участках памяти, которые уже освободились.

5.Виртуальная память

Одним из наиболее ценных ресурсов с точки зрения программиста является размер доступной оперативной памяти компьютера. Часто требуемый объем основной памяти превышает реально существующий объем.

В этом случае программа управления памятью может создать видимость увеличения объема памяти путем перемещения программ и данных из основной памяти в массовую и обратно.

Этот иллюзорный объем памяти называется виртуальной памятью. Предположим, что выполняемым программам требуется 64 Мбайт основной памяти, а в наличии имеется только 32.

Чтобы создать иллюзию большего объема памяти, программа управления памятью делит требуемый объем на элементы, называемые страницами, и хранит содержимое этих страниц в массовой памяти.

Типичный объем страницы составляет 4 Кбайт.

Программа управления памятью помещает в основную память те страницы, которые в данный момент должны там находиться, замещая ими те, в которых больше нет потребности. Таким образом, остальные компоненты программного обеспечения могут работать так, как если бы объем основной памяти машины действительно составлял 64 Мбайт.

6.Системы разделения времени

В подавляющем числе случаев процессор большую часть своего рабочего времени проводит в ожидании того, когда завершат работу периферийные устройства или пользователь введет свой следующий запрос.

Решение этой проблемы состоит в разработке операционной системы, способной организовать постоянное чередование выполнения частей различных заданий с помощью процесса разделения времени.

Дата добавления: 2014-12-27