Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции по ВССиТ - файл 1.doc


Лекции по ВССиТ
скачать (290.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc291kb.12.12.2011 21:13скачать

Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Введение в курс.

В настоящее время обработка информации тесно связана с понятиями ЭВМ, вычислительная система, вычислительная сеть, телекоммуникации. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации являются в современном обществе самыми востребованными ресурсами. Войдя в человеческую жизнь, компьютеры стали неотъемлемой частью нашей цивилизации.

С развитием вычислительной техники расширяется сфера ее использования, изменяется терминология. Термины “вычислительная машина”, “вычислительная система”, “вычислительная сеть” выросли из своего дословного толкования в части прилагательного “вычислительная”. Но уже давно перечисленные объекты выполняют не только вычисления, но и преобразования информации, а именно: накопление, хранение, организацию, толкование информации, т.е. представляют собой информационные системы.

Что касается толкования понятия “вычислительная система, то в литературе имеются совершенно различные ее определения: от простого набора автоматизированных или автоматических устройств обработки данных, от одиночного компьютера с его программным обеспечением, до совокупности нескольких взаимосвязанных вычислителей с их программным обеспечением и периферийным оборудованием, предназначенным для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Ключевая роль в современных технологиях обработки информации принадлежит вычислительным сетям и системам телекоммуникаций, в которых сосредоточены новейшие средства вычислительной техники, информатики, связи, а также современные информационные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг
1.Архитектура информационно-вычислительных систем

1.1.Основные определения и понятия

Под информационной системой (ИС) понимают систему, организующую, хранящую и преобразующую информацию, т.е. систему, основным предметом и продуктом труда в которой является информация.

Практически все ИС являются одновременно и информационно-вычислительными системами (ИВС).

Вычислительная система (ВС) - это совокупность одного или нескольких вычислительных машин или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

Определим основные понятия, имеющие отношение к термину ”система”.

Система (греч. Systema – целое, составленное из частей соединение) – это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Элемент системы – часть системы, имеющая определенное функциональное назначение. Сложные элементы систем, состоящие в свою очередь из более простых взаимосвязанных элементов, называют подсистемами.

Организация системы – внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы, проявляющаяся в ограничении разнообразия состояний элементов в рамках системы.

Структура системы – состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы. Если отдельные элементы систем разнесены по разным уровням и внутренние связи между элементами организованы только от вышестоящих уровней к нижестоящим и наоборот, то говорят об иерархической структуре систем.

Архитектура системы – совокупность свойств систем, существенных для пользователя.

Для реализации возложенных на информационно-вычислительную систему функций информационно-вычислительная система должна включать информационное, техническое, программное, математическое и лингвистическое обеспечение.

Информационное обеспечение – это методы и средства построения информационной базы системы, включающей в себя системы классификации и кодирования информации, унифицированные системы документов, схемы информационных потоков, принципы и методы создания баз данных.

Техническое обеспечение – комплекс технических средств, задействованных в технологическом процессе преобразования информации в системе. В первую очередь - это ЭВМ, периферийное оборудование, аппаратура и каналы передачи данных.

Программное обеспечение включает в себя совокупность программ регулярного применения, необходимых для решения функциональных задач, и программ, позволяющих наиболее эффективно использовать вычислительную технику, обеспечивая пользователям наибольшие удобства в работе.

Математическое обеспечение – совокупность математических методов, моделей и алгоритмов обработки информации, используемых в системе.

Лингвистическое обеспечение – совокупность языковых средств, используемых в системе с целью повышения качества ее разработки и облегчения общения человека с машиной.
1.2. Классификация информационно-вычислительных систем

Большинство современных информационных систем преобразуют не информацию, а данные. Поэтому их называют системами обработки данных (СОД).

Систему обработки данных можно определить как комплекс взаимосвязанных методов и средств преобразования данных, необходимых пользователю.

Различают автоматизированные СОД (АСОД), системы автоматической обработки данных (САОД).

В автоматизированных СОД человек принимает участие в процессе обработки в качестве элемента (звена) управления вычислительным процессом. В системах автоматической обработки данных все процедуры преобразования данных и переходы между преобразованиями выполняются автоматически, человек как звено управления отсутствует. Он может выполнять лишь функции внешнего наблюдения за работой системы.

В управлении сложными системами главная роль принадлежит человеку, технические средства (в том числе и компьютеры) являются его помощниками.

Развитые АСОД, имеющие специальное программное обеспечение для анализа семантики информации и для гибкой логической ее структуризации, называют системами обработки знаний.

Высшее развитие информационные технологии получают в экспертных системах, использующих базы знаний и системы обработки знаний с целью оптимизации потоков информации, поиска, оценки и выбора лучшего управленческого решения по заданным критериям, разработки рекомендаций по выбранным решениям.

ИС можно также классифицировать по другим признакам.

По функциональному назначению различают:

- производственные ИС,

- коммерческие ИС,

- финансовые ИС,

- маркетинговые и т.д.

По объектам управления различают:

- ИС автоматизированного проектирования,

- ИС управления технологическими процессами,

- ИС управления предприятием (офисом, фирмой, корпорацией, организацией и т.д.)

По характеру использования информации различают:

- информационно-поисковые, предназначены для сбора, хранения и выдачи информации по запросу пользователя,

- информационно-советующие, предлагающие пользователю определенные рекомендации для принятия решений,

- информационно-управляющие, результатная информация которых непосредственно участвует в формировании управляющих воздействий.

В вычислительной системе может быть одна вычислительная машина, но агрегированная с многофункциональным периферийным оборудованием. Стоимость периферийного оборудования часто во много раз превышает стоимость вычислительной машины. Но классическим вариантом ВС является многомашинный или многопроцессорный варианты.

Многомашинная вычислительная система строится на основе отдельных ЭВМ, многопроцессорная вычислительная система – на основе отдельных процессоров.

Вычислительные системы бывают однородными и неоднородными.

Однородная ВС строится на основе однотипных ЭВМ или процессоров, позволяет использовать стандартные наборы программных средств, типовые протоколы сопряжения устройств. Их организация значительно проще, облегчается обслуживание систем и их модернизация.

Неоднородная ВС включает различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание таких систем.

ВС могут работать в оперативном режиме (on-line) и в неоперативном режиме (off- line). В оперативном режиме ответы на запросы пользователей поступают незамедлительно, в неоперативных ВС допускается режим «отложенного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой (например, в следующем сеансе работы системы).

Различают ВС с централизованным и децентрализованным управлением. В первом случае управление системой выполняет выделенный компьютер или процессор, во втором – эти компоненты равноправны и могут брать управление на себя.

ВС могут быть:

- территориально сосредоточенными (все компоненты расположены в непосредственной близости друг от друга);

- распределёнными (компоненты могут располагаться на значительном расстоянии – вычислительные сети);

- структурно одноуровневыми (имеется лишь один общий уровень обработки данных);

- многоуровневыми (иерархическими) структурами. В иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки, некоторые ВМ или процессоры могут специализироваться на выполнение определённых функций.

Как уже указывалось, ВС делятся на одномашинные, многомашинные и многопроцессорные. Начнём рассмотрение с одномашинных ВС, точнее с вычислительных машин.

Вычислительные машины

ЭВМ (компьютер) – комплект технических и программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

По принципу действия ЭВМ делятся на аналоговые и цифровые. Критерием деления является форма представления информации, с которой они работают (рис.1).
U U



t t

Аналоговая форма Цифровая (импульсная) форма

Рис.1 Две формы представления информации.

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) работают с информацией, представленной в дискретной или цифровой форме.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – ЭВМ непрерывного действия, работают с информацией, предоставленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

Гибридные ЭВМ (ЭВМ комбинированного действия) работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. Используются для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

В экономике ( да и в науке и технике) преимущественно используются ЦВМ, обычно называемые ЭВМ без упоминания об их цифровом характере.

По этапам создания и элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

- 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

- 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах – транзисторах;

- 3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе); интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде полупроводникового кристалла, объединяющего большое число активных элементов – диодов и транзисторов.

- 4-е поколение, 80 - 90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых – микропроцессор (десятки тысяч – миллионы активных элементов на одном кристалле);

- 5–е поколение, настоящее время: компьютеры с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющие строить эффективные системы обработки данных и знаний.

В таблице 1 показана эволюция технологий использования компьютерных систем.

Каждое последующее поколение компьютеров имеют по сравнению с предыдущими существенно лучшие характеристики ( по производительности компьютеров и ёмкости ЗУ).


Таблица 1. Эволюция компьютерных информационных технологий





Параметр


Этапы развития



50-е годы



60-е годы



70-е годы


80-е годы


Настоящее время


Цель

использования

Научно-технические расчеты


Технические и

экономические расчеты

Управление и экономические расчеты

Управление, предоставление

информации

Телекоммуникации,

информационное обслуживание и

управление


Режим работы

компьютера



Однопрограммный


Пакетная обработка


Разделение времени


Персональная

работа


Сетевая обработка


Интеграция данных



Низкая


Средняя


Высокая


Очень высокая


Сверхвысокая


Расположение

пользователя



Машинный зал


Отдельное помещение


Терминальный зал


Рабочий стол


Произвольное


Тип

пользователя


Инженеры -

программисты


Профессиональные

программисты


Программисты

Пользователи с

общей

компьютерной подготовкой


Малообученные

пользователи


Тип диалога


Работа за пультом

компьютера



Обмен перфоносителями и

машинограммами


Интерактивный:

через клавиатуру и

экран



Интерактивный с жестким меню


Интерактивный экранного типа

“вопрос – ответ”

По назначению компьютеры можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения); проблемно- ориентированные и специализированные.

Универсальные предназначены для решения самых разнообразных информационно – технических, экономических, математических, информационных и т.д. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объёмом обрабатываемых данных. Широко применяются в вычислительных центрах коллективного пользования.

Характерными чертами универсальных ЭВМ являются

  1. высокая производительность;

  2. разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

  3. обширная номенклатура выполняемых операций как арифметических, логических, так и специальных;

  4. большая ёмкость оперативной памяти;

  5. развитая организация системы ввода- вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно- ориентированные ЭВМ предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, например, с управлением технологическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших данных, с выполнением расчётов по относительно несложным алгоритмам, они обладают по сравнению с универсальными ЭВМ ограниченными аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные ЭВМ предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определённой группы функций. Такая узкая ориентация позволяет чётко специализировать их структуру, существенно снизить сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надёжности их работы.

К специализированным компьютерам можно, например, отнести адаптеры и контролёры, выполняющие логические функции управления несложными техническими устройствами.

Функциональные возможности компьютеров обусловлены их технико-эксплуационными характеристиками, к важнейшим из которых относятся:

  1. быстродействие: измеряется усредненным количеством операций, выполняемых ВМ за единицу времени;

  2. разрядность формы представления чисел, которыми оперирует ВМ;

  3. номенклатура, ёмкость и быстродействие всех ЗУ;

  4. номенклатура и технико-эксплуатационные характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода/вывода информации;

  5. типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ВМ между собой (тип внутримашинного интерфейса);

  6. способность ВМ одновременно работать с пользователями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);

  7. типы и технико-эксплутационные характеристики ОС, используемых в машине;

  8. функциональные возможности программного обеспечения;

  9. способность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);

  10. система и структура машинных команд;

  11. возможность подключения к каналам связи и вычислительные сети;

  12. эксплуатационная надежность компьютера.

По размерам и вычислительной мощности ЭВМ можно разделить на сверхбольшие (супер ЭВМ), большие, малые и сверхмалые (микрокомпьютеры или ЭВМ).

Некоторые параметры названных классов современных ЭВМ представлены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнительные параметры классов современных ЭВМ.


Параметры

Класс компьютера

Супер ЭВМ

Большие ЭВМ

Малые ЭВМ

Микро ЭВМ

Производительность (MIPS)

1000 - 1*10 6

100 - 10 4

10 - 10 3

10 - 100

Емкость ОП (Мбайт)

2000 - 10 5

512 - 10 4

128 - 2048

35 - 512

Емкость внешнего ЗУ (Гбайт)

500 - 5*10 4

100 - 10 4

20 - 500

10 - 50

Разрядность (бит)

64 - 256

64 - 128

32 - 128

32 - 128

Примечание: MIPS – миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой.
Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Первая большая ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 году. Эта машина весила более 30 тонн, имела быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел, занимала зал площадью около 150 мª.

Производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, биологических исследований, моделирования экономических систем и т.п.). Это явилось предпосылкой для создания суперкомпьютеров. ВС на основе суперЭВМ и сами суперЭВМ интенсивно развиваются и в настоящее время.

Появление в 70-х годах прошлого века малых ЭВМ (мини ЭВМ) обусловлено, с одной стороны прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Мини-ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и существенно дешевле больших ЭВМ.

Изобретение в 1969г микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х годах прошлого века еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие МП послужило первоначально определяющим признаком микро-ЭВМ. В настоящее время МП используются во всех без исключения классов ЭВМ.
Большие компьютеры

Большие ЭВМ за рубежом называют мейнфреймами (mainframe). К ним относят компьютеры, имеющие:

  1. производительность не менее 100 MIPS;

  2. основную память емкостью от 512 до 1000Мбайт;

  3. внешнюю память не менее 100 Гбайт;

  4. многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления аффективного применения мейнфреймов – решение научно –технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Использование мейнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей в настоящее время является наиболее актуальным.

Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которых развивались машины этого класса в большинстве стран мира, являются машины фирмы IBM. Модели IBM 360 и IBM 370 с их архитектурой и программным обеспечение были взяты за основу при создании отечественной системы больших машин EC ЭВМ.

Среди лучших разработок больших ЭВМ в первую очередь следует отметить американские. В настоящее время это модели 4-го поколения S/390 и AS/400. Они широко используются во всем мире, в том числе и в РФ. Большую партию этих машин закупило МПС РФ.

Бизнес–компьютеры AS/400 – самые популярные в мире (с 1999года). Интенсивно закупаются в России банками, государственными структурами и прочими предприятиями.

Распространенными в мире являются и японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsy и Mellenium фирмы Amdahi (теперь это дочерние предприятия фирмы Fujitsu), а также большие ЭВМ 8/*,9/*, М2000 и С 2000 немецкой фирмы Comparex Information Systems.

На российских предприятиях используется большое количество больших ЭВМ фирмы Comparex, в частности, в РАО Газпром, в Главном управлении информационных ресурсов ФАПСИ и т.д.

Современному пользователю, привыкшему к ПК, необходимо знать, что бывает и другая вычислительная техника. По данным экспертов, на больших ЭМВ сейчас находится около 70% “компьютерной” информации. Только в США установлены сотни мейнфреймов.
Мини-ЭВМ

Надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнительно с большими ЭВМ возможностями.

Мини-ЭВМ обладают следующими характеристиками:

  1. производительность – до 1000 MIPS;

  2. емкость основной памяти – до 8000 Мбайт;

  3. емкость дисковой памяти – до 1000 Гбайт;

  4. число поддерживаемых пользователей – 16 – 1024;

Все модели миникомпьютеров разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных схем, 32, 64 и 128-разрядных микропроцессоров.

Миникомпьютеры ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, наряду с этим они успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных мини-ЭВМ являются компьютеры РDР-11 фирмы DEC(США). Они являлись прообразом наших отечественных мини ЭВМ – системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ) СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и т.д.

В настоящее время семейство мини-ЭВМ РDР-11 включает большое число моделей от VAX-11 до VAX-3600, мощные модели миникомпьютеров класса 8000 (VAX-8250, 8820); супермини ЭВМ класса 9000 (VAX-9410. 9430).
Микрокомпьютеры

МикроЭВМ весьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов (рис.2).

  1. Многопользовательские микроЭВМ – это мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать сразу нескольким пользователям.

  2. Персональные компьютеры – однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

  3. Рабочие станции – представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т.д.)

  4. Серверы – многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.

  5. Сетевые компьютеры – упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т.д.)



Микро-ЭВМ


Многопользо-

вательские
Рис.2. Классификация микропроцессоров
Общие принципы построения ЭВМ.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Нейманом в 1945г при построении первых образцов ЭВМ.

Суть его заключается в следующем. Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды – переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список всех переменных (входных данных, промежуточных значений, результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая) кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Поэтому различные типы информации, размещенне в памяти ЭВМ, практически не различимы. Идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике.

Каждый тип информации имеет свои форматы – структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словам. Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для ПЭВМ – 2 байта.

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе).
Программы Результаты


УВв

ОЗУ

Увыв


и исходные

данные


ВЗУ


АЛУ



УУ




Рис.3. Структурная схема ЭВМ
В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится на внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект – файл.

Файл – это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст), размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылке и обработке. При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ).

УУ предназначено для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Цепи управления показаны на рис.3 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифруются УУ: определяется код операции, которую необходимо выполнять следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и т.п. АЛУ каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в оперативную память. Отдельные признаки результатов (типа r=0. r>0, r<0) УУ использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройство вывода (Увыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель.
Функциональная и структурная организация персональных компьютеров.

Поскольку массовое распространение в настоящее время получили персональные компьютеры (ПК), их функциональную и структурную организацию рассмотрим подробнее.

Начнем с основных блоков ПК и их назначения.

Математический

сопроцессор

Системная шина

Видеоадаптер

Адаптер

принтера

Таймер

Сетевой

адаптер

Источники

питания


Основная память

Внешняя память



Постоянное запоминающее

устройство

(ПЗУ)

Оперативное

запоминающее

устройство

(ОЗУ)


Накопитель

на жестком

магнитном

диске(НЖМД)

Накопитель

на гибком магнитном

диске(НГМД0


Микропроцессор



Арифметико-логическое устройство

(АЛУ)

и

н

т

е

р

ф

е

й

с

н

а

я
с

и

с

т

е

м

а



Адаптер

НЖМД

Адаптер

НГМД

Микропро-

цессорная память (МПП)


Устройство

управления

(УУ)





Видеомонитор

(дисплей)


канал Канал

с
Печатающее

устройство

(принтер)
вязи связи



Генератор

тактовых

импульсов

Интерфейс

клавиатуры





Клавиатура

Рис.4. Структурная схема ПК с минимальным составом внешних устройств
Микропроцессор (МП) – центральное устройство ПК, предназначенное для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав МП входят несколько компонентов.

Устройство управления (УУ) формирует и подает во все блоки ЭВМ в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций, а также формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передаёт эти адреса в соответствующие блоки компьютера. Опорную последовательность импульсов УУ получает от генератора тактовых импульсов.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет тактовую частоту МП, или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определённое количество тактов.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. В некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор.

Микропроцессорная память (МПП) предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы машины. МПП строиться на регистрах для обеспечения высокого быстродействия машины, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего МП. Регистры – это быстродействующие ячейки памяти различной длины (ячейки оперативной памяти имеют стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).

Интерфейсная система МП предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК. Включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода и вывода (ПВВ) и системной шиной.

Интерфейс (interface) – это совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействия.

Порты ввода/ вывода (I/O ports) – элементы системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами

Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина (СШ) включает в себя:

- кодовую шину данных, содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

- кодовую шину адреса, содержащую провода и системы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства;

- кодовую шину управления, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи управляющих сигналов (импульсов) во все блоки машины;

- шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Логика работы СШ, количество линий в шинах адреса, данных и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств к системной шине, образуют интерфейс СШ.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

- между МП и основной памятью;

- между МП и портами ввода/вывода внешних устройств;

- между основной памятью и портами ввода/вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Рассмотрим, каким образом СШ обеспечивает взаимодействие МП и основной памяти. Управляющая работой ЭВМ программа должна быть загружена в основную память. Адрес первой выполняемой команды передаётся процессору и запоминается в счётчике команд. Начало работы заключается в том, что адрес из счётчика команд выставляется на шину адреса СШ, одновременно на шину управления выдаётся команда «Выборка из основной памяти», которая воспринимается основной памятью. По этой команде основная память считывает адрес с шины адреса, находит ячейку с этим номером, выставляет её содержимое на шину данных, а на шину управления выставляет сигнал о выполнении команды. Микропроцессор, получив по шине управления сигнал об окончании работы основной памяти, вводит число с шины данных на свою внутреннюю магистраль и через неё посылает введённую информацию в регистр команд.

В регистре команд полученная команда разделяется на кодовую и адресную части. Код команды поступает в блок управления для выработки сигналов, настраивающих АЛУ на выполнение заданной операции и для определения адреса следующей команды, который сразу же заносится в счётчик команд. Адресная часть команды выставляется на шину адреса и сопровождается командой “Выборка из основной памяти” по шине управления. Выбранная из основной памяти информация через шину данных поступает на внутреннюю магистраль процессора, с которой вводится в АЛУ. На этом заканчивается подготовка МП к выполнению операции и начинается её выполнение в АЛУ.

Результат выполнения операции выставляется МП на шину данных, при этом на шину адреса выставляется адрес основной памяти, по которому этот результат необходимо записать, а на шину управления выставляется команда «Запись в основную память». Получив эту команду, основная память считывает адрес и данные с СШ, организует запись данных по указанному адресу и после выполнения команды выставляет на шину управления сигнал о выполнении команды. Процессор, получив этот сигнал, начинает отработку следующей команды программы.

В каждом цикле, получив команду в регистр команд и выделив код операции, процессор определяет, к какому устройству она относится. Если команда должна выполняться процессором, организуется её выполнение по описанному циклу. Если же команда предназначена для выполнения в другом устройстве ЭВМ, процессор передаёт её соответствующему устройству. Процесс передачи команды другому устройству предусматривает следующие действия:

  1. МП выставляет на шину адреса СШ адрес устройства, сопровождая его по шине управления командой « Поиск устройства».

  2. Все устройства, подключенные к СШ, читают адрес устройства, выставленного на шине адреса, и сравнивают его со своим. Устройство, опознавшее свой адрес, вырабатывает сигнал отклика по шине управления.

  3. МП, получив отклик, выставляет имеющуюся у него команду на шину данных и сопровождает её командой по шине управления « Передаю команду».

  4. Получив по шине управления сигнал о приёме команды, процессор переходит к выполнению очередной своей команды.

Логическая последовательность взаимодействий процессора с внешними устройствами, связанная с поиском устройства, обменом командами и информацией, получила название интерфейса ввода/ вывода.

Если при обращении к внешнему устройству продолжение выполнения основной программы возможно только после завершения операций ввода/вывода, то процессор, запустив внешнее устройство, переходит в состояние ожидания и находится в нем до тех пор, пока внешнее устройство не сообщит ему об окончании обмена данными. Такой режим работы называется однопрограммным. Он приводит к простою большинства устройств ЭВМ, т.к. в каждый момент времени может работать только одно устройство, а все остальные находятся в состоянии ожидания.

Для ликвидации таких простоев и повышения эффективности работы внешние устройства сделаны автономными. Получив от процессора необходимую информацию, они самостоятельно организуют свою работу по обмену данными. Процессор, запустив внешнее устройство, пытается продолжить выполнение программы. Если ему приходиться переходить в режим ожидания, то он может перейти к выполнению другой программы, которая также находится в основной памяти. При этом создается ситуация, когда в один и тот же момент времени различные устройства ЭВМ выполняют либо разные программы, либо разные части одной и той же программы. Такой режим работы ЭВМ называется многопрограммным.

Все блоки, а точнее их порты ввода/вывода, через соответствующие унифицированные разъемы подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется МП либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллера шины, формирующую основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими блоками машин. Она содержит два типа запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ (ROM – Read Only Memory) предназначено для хранения неизменной (т.е. постоянной) программной и справочной информации. Позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в ней. Изменить информацию в ПЗУ нельзя.

ОЗУ (RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующих в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокие быстродействие и возможность обращаться к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). Недостатком оперативной памяти является невозможность сохранения информации в ней после выключения питания (энергозависимомть).

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней храниться информация об аппаратной конфигурации ПК (т.е. обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы.

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.

Внешняя память представлена разнообразными видами энергонезависимых запоминающих устройств, предназначенными для хранения больших массивов данных. Наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. В качестве устройств внешней памяти используются также накопители на оптических дисках: неперезаписываемые лазерно-оптические диски CD ROM (Compact Disk Read Only Memory), перезаписываемые с многократной записью CD RW (ReWritable). Реже используются внешние запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте и накопители на цифровых видеодисках DVD (Digital Versabil Disk). Сравнительные характеристики дисковых накопителей представлены в таблице 3.
Таблица 3. Сравнительные характеристики дисковых накопителей


Тип накопителя

Емкость, Мбайт

Время доступа, мс

Скорость передачи данных, Кбайт/с

НГМД

1,2; 1,44

65 - 100

55 - 150

Жесткий диск

1000 - 250000

5 - 30

500 - 6000

DVD

4700 - 17000

150 - 200

1380

CD ROM

250 - 1500

50 - 300

150 - 300(только чтение)


Примечание: Время доступа – средний промежуток времени, в течение которого накопитель находит требуемые данные.
Все диски (и магнитные, и оптические) характеризуется своим диаметром, или, иначе, форм-фактором. Наибольшее распространение получили диски с диаметром 3,5 дюйма(89 мм), но существуют также с диаметрами 5,25 дюйма (133 мм), 2,5 дюйма (64мм), 1,8 (45 мм) и др.

Функции внешней несменной памяти ПК выполняют жесткие магнитные диски, называемые винчестером. Они представляют собой малогабаритный пакет из нескольких жестких магнитных дисков (МД), вращающихся на одной оси с высокой скоростью и размещенных в герметическом корпусе вместе с головками чтения/записи.

Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей дорожек. Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД. Совокупность дорожек МД, находящаяся на разных пластинах диска и на одинаковом расстоянии от центра, называется цилиндром. При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации. Устройство для чтения и записи информации на МД называется дисководом.

Дорожки диска разбиты на секторы. В одном секторе дорожки обычно размещается 512 байт данных.

Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно кластерами.

Кластер – это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из двух или большего числа смежных секторов дорожки. Поэтому, если необходимо разместить на диске маленький файл, например размером 20 байт, он все равно займет дисковое пространство размером в кластер (минимум 2*512=1024 байт). Количество секторов в кластере всегда равно целой степени числа 2.

Весьма популярным и очень перспективным классом энергонезависимых ЗУ является флеш-диски. Флеш-диски представляют собой устройства для долговременного хранения информации с возможностью многократной записи.

У флеш-дисков отсутствуют какие-либо подвижные части, да и форма у них совсем не круглая – чаще прямоугольная. Для хранения информации в них используются специализированные микросхемы памяти, выполненные по технологии Flash, изобретенной в начале 80-х годов в фирме Intel. Дисками их называют условно, поскольку флеш-диски полностью эмулируют функциональные возможности НЖМД.

Таким образом, флеш-диски – это полупостоянные ЗУ, стирание и считывание информации в которых выполняется электрическими сигналами (в отличие от прочих ПЗУ, в которых эти действия производятся лучом лазера или чисто механически – “перепрошивкой”).

Емкость современных флеш-дисков достигает нескольких гигабайтов при крайне миниатюрных размерах. Скорость считывания информации составляет несколько мегабайтов в секунду, скорость записи несколько ниже.

Таймер – это внутримашинные электронные часы реального времени, обеспечивающие при необходимости автоматический съём текущего момента времени (год, месяц, день, часы, минуты, секунды и доля секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору, и при отключении машины от электросети продолжает работать.

Внешние устройства ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

К внешним устройствам компьютера помимо уже упоминавшихся внешних запоминающих устройств относятся:

  1. диалоговые устройства пользователя, а именно устройство для отображения вво-

димой и выводимой из ПК информации, т.е. видеотерминал, дисплей; устройства речевого

ввода и вывода – различные микрофонные акустические системы;

  1. устройства ввода информации: клавиатура – это устройство для ручного ввода

числовой, текстовой и управляющей информации в ПК; сканеры – оборудование для автома-

тического считывания с бумажных и пленочных носителей в ПК;

  1. устройства вывода информации: принтеры, графопостроители (плоттеры) –

устройства для вывода графической информации из ПК на бумажный носитель;

  1. средства связи и телекоммуникаций: используется для связи с другими средст-

вами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры) и для подключения ПК к ка-

налам связи и вычислительным сетям (сетевой адаптер).

Основными функциональными характеристиками ПК являются:

  1. Производительность, быстродействие, тактовая частота.

Производительность современных компьютеров измеряют в миллионах операций в секунду: MIPS – (Millions Instruction Per Second) для операций над числами, представленными в форме с фиксированной запятой. MELOPS – Millions of Floating point Operation Per Second – для операций над числами, представленными в форме с плавающей запятой.

Оценка производительности компьютеров весьма приблизительна, т.е. ориентируется на некоторые усреднённые или, наоборот, конкретные виды операций. Для компьютеров, выполняющих самые разные задания, эти оценки будут весьма неточными.

Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определённого количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

  1. Разрядность МП и кодовых шин интерфейса.

Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность, тем будет больше производительность ПК.

  1. Ёмкость оперативной памяти – измеряется в мегабайтах. 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 1024² байт

  2. Ёмкость накопителя на жёстких магнитных дисках.

Ёмкость НЖМД измеряется обычно в гигабайтах, 1Гбайт = 1024 Мбайт

  1. Наличие, виды и ёмкость Кэш-памяти.

Кэш-память – это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих ЗУ.

Наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%.

  1. Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров.

Означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

  1. Возможность работы в многозадачном режиме.

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим).

  1. Надежность – это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции.


Представление информации в вычислительных машинах

Информация в компьютере кодируется в двоичной или двоично-десятичной системах счисления.

Применяются две формы представления двоичных чисел:

- естественная форма, или форма с фиксированной запятой (точкой);

- нормальная форма, или форма с плавающей запятой (точкой).

В первом случае все числа изображаются в виде последовательности цифр, а запятая отделяет целую часть числа от дробного. Эта форма естественна, но имеет небольшой диапазон представления чисел. Если основание системы счисления a, и число представлено m разрядами в целой части и s – в дробной, то диапазон значащих чисел N

a-s ≤ N ≤ am – a-s

Если a=2, m=10 и s=6, то 0,015625 ≤ N ≤ 1024.

В современных компьютерах естественная форма представления чисел используется как вспомогательная и только для целых чисел.

В форме представления с плавающей запятой число изображается в виде двух групп цифр: мантиссы и порядка:N = ± M*a ±r , например, N=0.65*10ֿ²

| М| - мантисса(|M|<1); r – порядок числа (целое).

Нормальная форма представления имеет огромный диапазон изменений и является основой в современных компьютерах. Если используется m разрядов мантиссы и s разрядов порядка, то s s

a ֿm a –(a – 1) ≤ N ≤ (1 – a-m )a (a – 1)

При a=2, m=22 и s=10, 10-300 ≤ N ≤ 10 300

Знак числа обычно кодируется двоичной цифрой: код 0 – знак “+”, код 1 – знак ”-”.

При вводе и выводе любой информации используется специальные коды представления информации – коды ASCII(American Standard Code for Information Intuchange) – американский стандартный код для обмена информацией. Эти же коды используются для кодирования буквенной и символьной информации внутри ПК.

Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя

Профессиональный пользователь (программист) пишет задание для ЭВМ в виде программы на алгоритмическом языке. Написанная программа представляет собой исходный модуль, сопровождаемый управляющими предложениями, указывающими ОС ЭВМ, на каком языке написана программа и что с ней надо делать. Программа пишется на алгоритмическом языке, а управляющие – на языке управления ОС. Так в MS DOS IBM PC – язык команд DOS, иногда оформляемый в виде bat-файла.

Исходный модуль (ИМ) перед исполнением должен быть переведен на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой – транслятором. Трансляторы выполняются в виде двух разновидностей: интерпретаторы и компиляторы. Интерпретатор после перевода на язык машины каждого оператора алгоритмического языка немедленно исполняет полученную машинную команду. Компилятор сначала полностью переводит всю программу, представленную в виде исходного модуля, на язык машины. Получаемая при этом машинная программа представляет собой объектный модуль (ОМ). Результат работы компилятора может быть записан в библиотеку объектных модулей (БОМ), рис.5.

Входной пакет заданий

Данные

Исходный модуль

Управляющие операторы









Операционная
система

Интерпре-

татор


Компилятор





















Загрузчик

Редактор

связей

















Программа

выборки










Выполнение






БИМ – библиотека исходных модулей

БОМ – библиотека объектных модулей

БЗМ – библиотека загрузочных модулей
Рис. 5. Обработка заданий ОС


Полученная машинная программа – объектный модуль – не готова к исполнению по двум причинам:

  1. содержит неразрешимые внешние ссылки, т.е. обращения к программа, которые не содержатся в исходном модуле, но необходимы для работы основной программы, например, обращения к стандартным программам алгоритмического языка: тригонометрическим функциям, логарифмическим функциям и т.п.

  2. объектный модуль представляет собой машинную программу в условных адресах – каждый ОМ начинается с нулевого адреса, тогда как для исполнения программа должна быть привязана к конкретным физическим адресам основной памяти.

Недостающие программы должны быть взяты из библиотеки компилятора, где они могут храниться в виде ИМ или в виде ОМ, и добавлены к основной программе. Эту операцию выполняет редактор связей. В результате работы редактора связей образуется загрузочный модуль (ЗМ). Загрузочный модуль помещается в библиотеку загрузочных модулей (БЗМ).

В загрузочном модуле все ссылки разрешены, т.е. ЗМ содержит все необходимые стандартные программы, но привязки к памяти у ЗМ нет. Привязка к памяти загрузочного модуля производится программой выборки, которая переносит ЗМ из БЗМ в основную память (загрузочный модуль обычно хранится на магнитном носителе) и во время этого переноса корректируются адреса, учитывая с какого адреса основной памяти размещается ЗМ. После перемещения загрузочного модуля в основную память программа выборки инициирует ее выполнение.

Представление машинной программы в виде исходного, объектного и загрузочного модулей позволяет реализовать наиболее эффективные программные комплексы.

Если по одной и той же программе необходимо много раз производить расчеты, то ее целесообразно оформить в виде загрузочного модуля, т.к. неэффективно каждый раз тратить время на трансляцию и редактирование. При обращении к программе, представленной в виде ЗМ, сразу будет вызываться программа выборки, т.е. этапы компиляции и редактирования связей будут опускаться, в результате чего время на выполнение программы существенно сократится.

Если же программа только отлаживается или после каждого просчета ее нужно модернизировать, то получение ЗМ и обращение к программе выборки будут лишними операциями. Для их обхода вместо редактора связей может быть применен загрузчик – программа, сочетающая в себе функции редактирования связей и загрузки полученной машинной программы в основную память для выполнения. При использовании загрузчика многократные просчеты по одной и той же программе проводить невыгодно, т.к. каждый раз будут выполняться лишние операции редактирования связей.
Логическая структура основной памяти

Структурно основная память состоит из миллионов отдельных однобайтовых ячеек памяти. Общая ёмкость основной памяти современных ПК лежит в пределах от 16 Мбайт до 512 Мбайт. Ёмкость ОЗУ на один-два порядка превышает ёмкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 Кбайт, остальной объём – это ОЗУ. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Для ОЗУ и ПЗУ отводится единое адресное пространство.

Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти. Адресное пространство зависит от разрядности шины адреса: т.е. адресное пространство равно 2 m, где m – разрядность адреса. Если m=20, то 220= 1Мбайт = 1 048 576 ячеек непосредственно адресуемой памяти.

Для ПК характерно стандартное распределение непосредственно адресуемой памяти между ОЗУ и ПЗ. (рис.6)

Стандартная память 640 Кбайт

Верхняя память 384 Кбайт

64 Кбайт

Область служебных

программ и данных ОС

576 Кбайт

Область программ

и данных ОС и

пользователя

256 Кбайт

Служебная память

128 Кбайт

Область ПЗУ-

программ BIOS


Рис. 6. Непосредственно адресная память

Стандартной памятью называется непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт. В младших адресах располагаются блоки операционной системы, в этой же области могут размещаться драйверы устройств. Драйвер – специальная программа, управляющая работой памяти или внешним устройством компьютера и организующая обмен информацией между МП, ОП и внешним устройством компьютера. Верхняя память (диапазон адресов от 640 Кбайт до 1024 Кбайт) зарезервирована для служебной памяти (ранее называлась видеопамятью дисплея и ПЗУ, хранящего программы базовой системы ввода/ вывода BIOS (Basic Input-Output System)).

Память с адресами выше 1024 Кбайт называется расширенной памятью, доступ к ее ячейкам возможен при использовании специальных программ – драйверов или в защищенном режиме работы микропроцессора.

Для выполнения программа загружается в основную (оперативную) память. В оперативной памяти для этого выделяются необходимые ресурсы для размещения команд, данных, управляющих таблиц, областей ввода/вывода. При загрузке производится трансляция адресного пространства откомпилированной программы в местоположение в реальной памяти. Если выделение ресурсов оперативной памяти производится перед выполнением программы, то такой процесс называется статическим, если в момент загрузки программы или процессе ее выполнения – динамическим.

При работе в мультипрограммном режиме может сложиться такая ситуация, когда между программами, размещенными в ОП, образуются незанятые участки памяти (рис. 7).

ОП

Программы ОС

Свободные 20Кбайт

Программа А

Свободные 10 Кбайт

Программа В

Свободные 20 Кбайт

Программа С


Рис. 7 Распределение адресного пространства ОП
При статическом варианте выделения ресурсов ОП программу D, требующую 50 Кбайт памяти, не удастся загрузить, т.к. свободные участки памяти не являются смежными. Такое состояние называется фрагментацией и оно характерно для систем со статическим размещением.

Для борьбы с фрагментацией адресное пространство программы может быть разбито на отдельные сегменты, слабо связанные между собой. Тогда программа D может быть представлена в виде ряда сегментов, загружаемых в различные области оперативной памяти (рис. 8.).

ОП

Программа D

Программы ОС

20Кбайт

Программа А

10 Кбайт

Программа В

20 Кбайт

Программа С




Сегмент 1

0

20 Кбайт

0

20 Кбайт

0

20 Кбайт

Сегмент 2

Сегмент 3


Рис. 8 Сегментация программы D
Адреса в каждом сегменте программы D начинаются с 0. При загрузке в оперативную память сегментированной программы каждый сегмент перемещается в реальную память отдельно, при этом участки ОП могут не быть смежными. Трансляции адресов (изменения адресов в программе с учетом физического размещения в памяти команд и данных) не происходит – сегменты по прежнему содержат свои относительные адреса.

Каждый сегмент программы должен иметь свое имя (например, номер). Адрес при таком представлении состоит из двух частей: имя (номер) сегмента и адрес (смещение) внутри сегмента. Если на номер сегмента отводится 16 двоичных разрядов, то можно адресовать 216 = 64 К сегментов. Если поле смещения содержит также 16 двоичных разрядов, то каждый сегмент 216 = 64 Кбайта.

Процессор может обращаться к ОП, используя только абсолютные адреса. При определении абсолютных адресов по известным относительным, содержащим номер сегмента и смещения, операционная система строит специальные таблицы, устанавливающие соответствие между сегментируемым адресным пространством программы и действительными адресами сегментов в реальной памяти (рис. 9).
Программа D Таблица сегментов ОП


Номер

сегмента

Адрес ОП

1

70Кбайт

2

125Кбайт

3

205Кбайт
программы D


0

Сегмент 1

20Кбайт

0

Сегмент 2

10Кбайт

0

Сегмент 3

20Кбайт

ОС

Сегмент 1 программы D

Программа А

Сегмент 2 программы D

Программа В

Сегмент 3 программы D

Программа С


Рис. 9 Соответствие между адресным пространством программы Д и абсолютными адресами сегментов в реальной памяти.
Каждая строка таблицы сегментов содержит адрес начала сегмента в реальной памяти. Для каждого сегмента имеется одна строка таблицы.

Использование сегментации позволяет уменьшить фрагментацию ОП, но полностью фрагментация не устраняется. Если сегменты разделить на несколько единиц, называемых страницами, то неиспользуемые фрагменты ОП сокращаются. Сегментно-страничная организация добавляет ещё один уровень в структуре адресного пространства программы: номер сегмента, номер страницы, смещение. Формирование сегментно-страничной структуры выполняется автоматически с помощью ОС. Для динамической трансляции адресов каждому сегменту необходима таблица страниц.

Виртуальная (Virtual – мнимый, кажущийся, воображаемый) память создаётся при недостаточном объёме оперативной памяти, не позволяющем разместить в ней сразу всю необходимую информацию для выполнения заданий. В режиме виртуальной памяти реально программа может частично размещаться в ОП, частично во внешней памяти на жёстком диске.

Технология организации виртуальной памяти следующая. Физические оперативная и дисковая (привлечённая к задаче) память и виртуальная память разбивается на страницы одинакового размера по 4 Кбайт. Страницам виртуальной и физической памяти присваиваются номера, которые сохраняются одними и теми же на весь период решения задачи. Операционная система формирует две таблицы: – таблицу страниц виртуальной памяти и таблицу физического размещения страниц, – и устанавливает логические связи между ними.

В текущий момент времени физические страницы могут находиться как в оперативной, так и во внешней памяти. Из внешней памяти виртуальные страницы автоматически перемещаются в оперативную только тогда, когда к ним происходит обращение. При этом они замещают уже отработанные страницы. Страничные таблицы для каждой программы формируются оперативной системой в процессе распределения памяти и изменяются каждый раз, когда физические страницы перемещаются из ВЗУ в ОП.








Скачать файл (290.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru