Аппаратное и программное обеспечение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конспект лекций по информатике для заочников-простых и ускоренников

Губанова Т.В.

Конфигурация (состав) вычислительной системы

-это совокупность аппаратного и программного обеспечения, которые в информатике принято рассматривать отдельно (ПК=АО+ПО).

Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, так как часто решение одних и тех же задач можно обеспечить как аппаратными, так и программными средствами. Аппаратное решение - дороже. Программное решение требует высокой квалификации программистов.

Аппаратное обеспечение (АО)

С точки зрения аппаратуры у ПК имеются 5 основных компонентов:

- ввод;

- вывод;

- память;

- тракт данных;

- устройство управления.

Архитектура ПК определяет, какие операции могут выполнять эти компоненты.

Процессор выбирает данные и команды из памяти.

Аппаратура ввода записывает данные в память.

Аппаратура вывода считывает данные из памяти. Управляющая аппаратура генерирует сигналы, управляющие трактом данных, памятью, вводом и выводом.

В мире много различных видов и типов ПК, выпускаемых разными производителями, собираемых из различных деталей, работающих с разными программами. Поэтому важный критерий - совместимость различных ПК между собой. От совместимости зависит взаимозаменяемость отдельных узлов и приборов, возможность переноса программ с одного ПК на другой и возможность работы разных типов ПK с одними и теми же данными.

Например, аппаратная совместимость - это принадлежность ПK к той или иной аппаратной платформе (IBM и Apple Macintosh в области ПК наиболее распространены). Принадлежность ПК к одной аппаратной платформе повышает совместимость между ними. Кроме аппаратной существует еще совместимость на уровне ОС, программная совместимость, совместимость на уровне данных.

Согласование между отдельными узлами выполняется с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратным интерфейсом. Стандарты на аппаратный интерфейс в вычислительной технике называются протоколами (это совокупность технических условий, которые должен обеспечить производитель устройства для успешного согласования их работы с другими устройствами)

Контроллер-(адаптер)

Контроллер-(адаптер)-устройство управления периферийным оборудованием.

Обмен информацией между ОП и устройствами ввода-вывода не происходит напрямую. Между любым устройством и ОП имеется 2 промежуточных звена:

- каждое устройство имеет электронную схему, которая им управляет(контроллер);

- все контроллеры взаимодействуют с МП и ОП через системную шину.

Оперативная память(RAM-Random Access Memory)

Оперативная память(RAM-Random Access Memory)-массив кристаллических ячеек, способных хранить данные, участвующие в операциях в текущий момент, и программы, выполняемые в данный момент.

С точки зрения физических принципов действия есть DRAM-динамическая память и SRAM-статическая память.

Ячейки DRAM можно представить в виде микроконденсато-

ров, способных накапливать заряд на своих обкладках (варикапные диоды с n-p p-n переходами)-достаточно дешевые. Минус - при заряде-разряде присутствуют переходные процессы, поэтому сравнительно медленная память.

Заряды рассеиваются в пространств, поэтому нужна постоянная подзарядка ячеек ОП, что растрачивает ресурсы вычислительной системы.

Используются в качестве основной ОП ПК.

Ячейки SRAM - можно представить как электронные элементы -триггеры, состоящие из транзисторов. Они хранят не заряд, а состояние(0,1), поэтому имеют более высокое быстродействие, но они - дороже.

Используются в качестве КЭШ-памяти, предназначенной для оптимизации работы процессора.

Кэш-память(cache)

КЭШ-ПАМЯТЬ(cache) предназначена для согласования быстрого процессора и более медленной ОП. Разрыв в скорости между процессором и памятью невероятно велик. Память и устройства ввода не могут поставлять достаточную информацию для поддержания загрузки процессора, поэтому процессор проводит множество своих высокоскоростных циклов в ожидании выборки команд и данных. КЭШ -это быстродействующая память, используемая для хранения блоков команд и данных, к которым процессор недавно обращался. Предполагается, что в ближайшем будущем процессор будет обращаться к тем же самым блокам (так называемая пространственная и временная локализация).

Кешированию подвергается не только ОП, но и внешняя память. Однако, в роли КЭШа тогда выступает не отдельная микросхема, а специально отведенная область ОП.

Есть еще минус. Шина, передающая данные из ОП в процессор, работает медленнее процессора, и процессор вынужден простаивать по 3 цикла на каждый цикл шины.

Каждая ячейка ОП имеет свой уникальный адрес, выраженный числом. Если используется 32-разрядная адресация, то независимых адресов может быть 232=4,3 Гбайта. На самом деле размер ОП устанавливается чипсетом и обычно равен приблизительно нескольким сотням Мбайт. Если использовать 64-разрядную адресацию, то размер ОП= 16 экзабайт=18,4 квинтиллиона байтов.

Процессор

ПРОЦЕССОР -управляет всеми компонентами ПК;

- выполняет все вычисления.

Выполнен на основе СБИС

МП- устройство обработки данных под управлением набора команд.

Команда МП -это двоичное слово(0, 1), которое будучи прочитано МП, заставляет последний выполнять определенные действия(сотни, тысячи команд).

Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки ОП, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться.

Внутренние ячейки состоят из регистров:

- регистры данных;

- регистры адресов;

- регистры команд.

С остальными устройствами ПК, в первую очередь с ОП, процессор связан несколькими группами проводников, называемыми шинами.

- шина данных(64 разрядная). По ней происходит копирование данных из ОП в регистры процессора и обратно. За один такт поступает 8 байт(28=64).

- шина адресов(32 разрядная) имеет 32 параллельные линии, на которых выставляются напряжения(1 и 0). Комбинация 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек ОП. К ней и будет подключен процессор для копирования данных из этой ячейки в один из своих регистров.

- шина команд(32 разрядная). Чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор из ОП, но из тех ее областей, где хранятся программы.

Система команд процессора

Система команд процессора - это совокупность всех возможных команд, которые может выполнять процессор над данными. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые (близкие) наборы команд. Для совместимости процессоров на программном уровне они должны иметь одинаковые системы команд.

Процессоры с расширенными и сокращенными системами команд

CISC-тип архитектуры процессора, имеющего расширенный набор команд -(Complex Instruction Set Computing).

RISC - тип архитектуры с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computing). Появился, когда прогресс в области компиляторов достиг той точки, когда можно упростить набор команд процессора и возложить на компилятор значительную часть работы, ранее выполнявшуюся аппаратурой. (при этом есть минус - сложные операции приходится эмулировать не очень эффективной последовательностью простейших команд из сокращенного набора)

Поэтому CISC -процессоры используются в универсальных вычислительных машинах, а RISC-процессоры в специализированных.

ПЗУ(система BIOS-Basic Input Output System)

В момент включения ПК в его ОП нет ничего (ОП - энерго- зависима). ПЗУ- энергонезависима, поэтому сразу после включения, на адресной шине процессора выставляется аппаратно стартовый адрес, куда процессор обращается за своей первой командой. Он указывает на ПЗУ, где хранится комплекс программ, образующих базовую систему ввода-вывода. Назначение BIOS- проверить работоспособность всех устройств, обеспечивающих взаимодействие с клавиатурой, монитором, винчестером, дисководами, выдать диагностические сообщения на экран,загрузить блок начальной загрузки ОС.

Энергонезависимая КМОП -память

Так как BIOS ничего не может знать о составе и свойствах произвольной вычислительной системы, то она берет эти сведения из КМОП- памяти(CMOS- Complementary metal-oxide semiconductor -технология). Данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно -(календарь время)

Шинные интерфейсы

Связь между собственными и подключенными устройствами выполняют шины и логическое устройство - чипсет. От их архитектуры во многом зависит производительность ПК.

Мульти-медиа компьютеры

Мультимедиасреда- это среда, в которой присутствует разнородная информация(звук видео анимация высококачественная графика виртуальная реальность).

Работа со звуком и видео осуществляется при помощи специальных технических и аппаратных средств, которые называются средствами мультимедиа. Компьютер, в котором присутствуют мультимедийные средства, называется мультимедиа-компьютер. Технические средства мультимедиа обеспечивают преобразование информации (звук видео) из аналоговой (непрерывной) формы в цифровую(дискретную) форму, с которой работает компьютер. Таким образом, для хранения и обработки на ПК аналоговой информации необходимо ее преобразовать в цифровую форму. После окончания обработки надо произвести обратное преобразование, чтобы эта информация могла быть воспринята человеком адекватно.

Звук и видео представляют собой непрерывные функции с ограниченным спектром. Теоретически любой сложный звук можно представить суммой простейших гармонических колебаний c частотами, кратными основной частоте, а следовательно, описать сложный сигнал числовыми параметрами(кодом). Отдельные слагаемые суммы называются гармониками. В общем случае есть бесконечный ряд. Но в действительности для всех сигналов число членов суммы (число спектральных линий) конечно, так как амплитуды гармоник, начиная с некоторого номера, -очень малы, и ими можно пренебречь. Таким образом, сигналы практически представляются функциями с ограниченным спектром. Ограничение спектра в технике связи всегда производится сознательно. Например, звуковой сигнал (телефон, вещание). Спектр в них ограничивается с учетом воспроизведения звука человеком(12-15 Гц).

Чтобы речь была разборчива, и мы могли узнать по голосу человека, достаточно передать спектр от 200-3000 ГЦ.

Для воспроизведения изображения верхняя граничная частота спектра приблизительно 6Мгц.

Для таких сигналов справедлива теорема Котельникова.

Функция с ограниченным спектром полностью определяется своими значениями, отсчитанными через интервал

dt=1/2Fв

где Fв -верхняя граничная частота спектра.

Смысл теоремы состоит в том, что если требуется передать непрерывную функцию с ограниченным спектром, то не надо передавать все значения функции, достаточно передать отдельные мгновенные значения, отсчитанные через dt.Так как функция полностью этими значениями определяется, то по ним можно восстановить непрерывную функцию x(t), причем единственным образом.

Технические средства мультимедиа

ЦАП-АЦП - преобразует непрерывный сигнал в цифровую форму с целью хранения и обработки на ПК и выполняет соответственно обратное преобразование для адекватного восприятия обработанной на ПК информации (звуковая плата и видеоплата).Аудио и видео информация, преобразованная в цифровую форму, требует для своего хранения много места.

Качество преобразования звука в цифровую форму определяется 2 показателями:

-разрядность преобразования (квантование по уровню сигнала).

Это количество двоичных разрядов которое отводится на кодирование уровня(величины) аналогового звукового сигнала. Разрядность определяет динамический диапазон звучания. При 8 разрядном преобразовании обеспечивается 256 градаций громкости.

При 16 разрядном преобразовании - 65536градаций громкости.

-частота дискретизации - это частота, с которой аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму. От частоты дискретизации непосредственно зависит верхняя граница диапазона частот закодированного (и соответственно воспроизведенного) звукового сигнала, составляющая половину значения этой частоты.

При 16-разрядном преобразовании с частотой дискр=44,1 Кгц обеспечивается качество звучания СD-проигрывателя

В состав ОС WINDOWS входят средства мультимедиа(ПО)(CD-Player, DVD-Player, Media-Player ….).

Перспективы

- КМОП-технология - это не только 100-ни млн транзисторов на одном кристалле,но это и большое количество цепей(до 10-ти млн цепей), Как их использовать?

-увеличивают внутренние КЭШи;

-с их помощью реализуют функции, для которых раньше выделялись отдельные микросхемы;

-им доверяют новые функции(н-р MMX-технологию(Multimedia Extensions)-мультимедийные расширения, которые ускоряют работу мультимедийных приложений;

используют процессоры со сверхширокими трактами данных(128 256 512 и т.п. процессоры);

делают центральную память, которую используют совместно несколько процессоров;

используют единственный процессор с несколькими наборами регистров, которые используют попеременно (многопоточные процессоры- частично снимают проблему простоев из-за промахов КЭШей и длительностью обмена с памятью);

если заглянуть еще дальше, то на одной микросхеме можно использовать несколько независимых процессоров. Им можно будет динамически назначать разные функции.

Программное обеспечение ПК

Делится на прикладное ПО и системное ПО.

Прикладное ПО предназначено для решения определенных классов задач.(текстовые и графические редакторы, электронные таблицы, СУБД, издательские системы, ЭС, БЗ, математические пакеты, редакторы HTML(WEB-редакторы, браузеры)

Системное ПО обеспечивает взаимодействие прикладных программ с аппаратурой и служебными программами.(ОС, сервисные системы- оболочки, утилиты, интерфейсные системы, инструментальные системы, системы технического обслуживания)

Операционные системы (ОС)

Операционные системы (ОС) представляют собой комплекс взаимосвя¬занных программ, которые являются интерфейсом между программами и пользователем с одной стороны и аппаратурой ПК с другой стороны.

1. ОС предоставляет пользователю вместо реальной аппаратуры некоторую виртуальную машину, с которой работать легко и удобно и которая способна выполнять большое количество очень мощных функций. Управление виртуальной машиной выполняется на достаточно высоком уровне, то есть с помощью очень простых для пользователя команд, - запустить программу на счет, удалить файл и тому подобное.

2. ОС управляет всеми аппаратными ресурсами ПК и при этом скрывает от пользователя все нюансы этого процесса.

Любая ОС состоит из набора функциональных модулей (подпрограмм), каждый из которых способен развиваться и расширяться. Не существует единой архитектуры ОС, но есть универсальные подходы к построению структуры ОС.

Все модули ОС делятся на две группы:

первая группа -ЯДРО ОС - это модули, которые выполняют базовые функции ОС:

*управление процессами;

*управление памятью;

*управление устройствами ввода-вывода и файловая система;

*интерфейс прикладного программирования API;

*защита данных и администрирование.

Функции, выполняемые модулями ядра, используются наиболее часто, поэтому скорость их выполнения определяет производительность всей системы в целом. Для обеспечения высокой скорости работы ОС все модули ядра постоянно находятся в ОП(то есть являются резидентными). Разрушение ядра равносильно разрушению всей системы, поэтому особое внимание уделяется надежности кодов ядра. Формат программного модуля ядра - специальный. Он отличается от формата пользовательских приложений. По сути ядро работает в привилегированном режиме.

Вторая группа - модули, выполняющие вспомогательные функции ОС:

*утилиты, то есть программы, решающие отдельные задачи(сжатие дисков, архивация, антивирусные программы и т. д.).

*системные обрабатывающие программы (текстовые и графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики и т. д.).

*библиотеки - процедуры и функции различного назначения-(математические функции ввода-вывода и т. д.).

Как и обычные приложения, для выполнения своих задач вспомогательные модули обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов.

Разделение ОС на ядро и вспомогательные модули обеспечивает легкую расширяемость ОС.

Вспомогательные модули обычно загружаются в ОП только на время выполнения своих операций, то есть являются транзитными. Это экономит ОП ПК.

Взаимодействие ядра и вспомогательных модулей ОС

Кроме подсистем управления ресурсами (процессами, памятью, внешними устройствам и файловой системой) есть еще подсистема пользовательского интерфейса и подсистема защиты данных и администрирования.

Данные защищаются от сбоев и отказов аппаратуры, от ошибок программного обеспечения, от несанкционированного доступа.

Функции защиты тесно связаны с функциями администрирования, так как именно администрирование определяет права пользователей в отношении различных ресурсов, будь то файлы, каталоги, принтеры, сканеры и т.п., фиксируют все события, от которых зависит безопасность.

Управление процессами

Управление процессами - важнейшая часть ОС

Эта система отвечает за обеспечение процессов необходимыми ресурсами. ОС поддерживает в памяти специальные информационные структуры, в которых записывает, какие ресурсы выделены каждому процессу. С каждым процессом связаны многие ресурсы системы: (виртуальное адресное пространство(4Гбайта), защищенное от других процессов, которые выполняются в системе в то же самое время, исполняемый код и данные, базовый приоритет, описатели объектов, переменные окружения).

Эти ресурсы могут быть выделены процессу целиком, или совместно с другими процессами Ресурсы могут быть приписаны процессу на все время его жизни, или только на некоторый определенный период. Когда в системе выполняется одновременно несколько задач, то ОС решает вопросы синхронизации потоков.

Когда процесс завершается, ОС убирает все следы его пребывания в системе: закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области ОП, отведенные под его коды, данные и системные информационные структуры процесса.

Понятия процесс и поток

Процесс - это понятие, относящиеся к ОС.

Каждый раз, когда вы запускаете приложение, система создает и запускает новый процесс.

ОС выделяет в качестве единицы работы именно процесс (задача). Для выполнения задачи требуются единицы более мелкой работы -потоки.

ОС рассматривает процесс, как заявку на потребление всех ресурсов, кроме одного - процессорного времени, которое распределяется между потоками.

Каждый процесс обязательно создает первичный поток выполнения. Это делается автоматически. Но процесс может создать еще несколько потоков, которые размещаются в том же адресном пространстве, которое принадлежит процессу. Когда они создаются, то родительский процесс начинает выполняться параллельно. Так реализуется потоковая многозадачность. Потоки выполняются в контексте процесса.

Поток -это основной элемент системы, которому ОС выделяет машинное время. Поток может выполнять какую-то часть общего кода процесса, в том числе и ту часть, которая в это время уже выполняется другим потоком. Например, код некоторой функции может одновременно выполняться двумя потоками, которые обслуживают двух клиентов одного сервера.

Все потоки одного процесса пользуются ресурсами породившего их процесса. Если один поток выполняет медленные операции ввода-вывода, а другой поток выполняет вычисления, используя только процессор, то эффективность процесса, совмещающего два потока, будет значительно выше, чем эффективность двух процессов, выполняемых последовательно.

Типичным многопотоковым приложением является сервер, обслуживающий многих пользователей. Каждый отдельный пользователь обслуживается отдельным потоком одного процесса.

МНОГОПОТОЧНОСТЬ - это технология запуска задач в наиболее эффективном режиме. ОС обеспечивает планирование процессов, позволяя нескольким приложениям функционировать одновременно(в многозадачном режиме).

МНОГОЗАДАЧНОСТЬ - -это способ организации вычислительного процесса,при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ.

ОС выделяет каждой программе определенный интервал времени, не давая монопольно использовать системные ресурсы даже очень мощному приложению. Это разделение ресурсов обеспечивается посредством многопоточности.Это увеличивает загрузку МП, увеличивает эффективность за счет одновременного выполнения нескольких задач.

Мультипрограммирование на основе прерываний

Прерывание является основной движущей силой любой ОС. Если отключить систему прерываний, то жизнь ОС немедленно остановится. Периодические прерывания от таймера вызывают смену процессов в мультипрограммируемой ОС, а прерывания от устройств ввода-вывода управляют потоками данных,которыми вычислительная система обменивается с внешним миром.

Обработка прерываний

Прерывние - это сигнал, заставляющий ПК менять обычный порядок исполнения потока команд. Возникновение сигнала прерываний обусловлено такими событиями, как завершение операции ввода-вывода, истечение заданного интервала времени, попытка деления на ноль.

Основная концепция прерывания

Последовательность событий, происходящих в ответ на прерывание такова:

Например, нажатие клавиши на клавиатуре.

Клавиатура -стандартное устройство- ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами- драйверами.Необходимое ПО для начала работы уже есть в микросхеме ПЗУ в составе BIOS, поэтому ПК реагирует на нажатие клавиш сразу после включения.

Принцип действия клавиатуры заключается в следующем:

При нажатии на клавишу специальная микросхема,встроенная в клавиатуру,выдает скэн-код(вообще генерируется 2 байта- код ASCII и соответствующий скэн-код).

Скэн-код поступает в микросхему, выполняющую функции порта клавиатуры(порт- специальное аппаратно-логическое устройство, отвечающее за связь процессора с другими устройствами. Порт находится на основной плате внутри системного блока).

Порт клавиатуры выдает процессору прерывание с определенным номером (int 9h-interrupt). Это аппаратное прерывание. Его назначение - воспринять определенное количество клавишных действий и запомнить их в буфере.

Совместное действие прерываний 9h и 16h.

Буфер воспринимает клавишные действия даже тогда, когда программа занята обработкой другой информации.

Получив прерывание, процессор откладывает текущую работу, и по номеру прерывания обращается в специальную область ОП, в которой находится так называемый вектор прерываний(ВП). ВП -это список адресов, nо этим адресам содержатся программы, которые должны обслуживать прерывания с заданным номером.

Далее процессор приступает к выполнению программы, обслуживающей данное прерывание. Простейшие программы обработки прерываний зашиты в ПЗУ, но пользователь может подставит вместо них свои программы обработки.Для этого надо изменить данные в векторе прерывания.

Программа- обработчик прерывания- направляет процессор к порту клавиатуры, где находится скэн-код, загружает его в свои регистры, а потом под управлением программы-обработчика определяет, какой код символа соответствует данному скэн-коду.

Далее обработчик прерываний отправляет полученный код символа в небольшую область памяти -буфер клавиатуры и прекращает свою работу, известив об этом процессор.

Процессор прекращает обработку прерываний и возвращается к отложенной задаче.

Введенный символ хранится в буфере клавиатуры до тех пор, пока его не заберет оттуда программа, для которой он предназначался, например, текстовый процессор.

Для передачи символа из буфера в вашу программу требуется обслуживание программы-прерывания с номером INT16h, которая считывает символы из буфера.

Итак, в точке прерывания управление автоматически передается на блок обработчика прерывания, который является частью ОС.

Этот блок предназначен для выполнения некоторых действий в ответ на условие,вызвавшее прерывание. После завершения обработки управление может быть передано в точку программы, где возникло прерывание. В общем случае невозможно предсказать,когда и по какой причине программа А была прервана.

За сохранность текущего состояния машины во время прерывания программы А,а также за его восстановлением, когда программа А будет продолжена,следят аппаратные и программные средства.Благодаря этому в случае прерывания НИЧТО за исключением времени не влияет на ее исполнение.

На самом деле Windowsрет на себя заботу не только о клавиатуре, но и о дисплее, портах, мыши, памяти и выполнении самой программы. Важно понимать, что Windows способна выполнять все, что она делает, благодаря своей аппаратуре. Только за счет управления аппаратурой Windowsожет делить экран на несколько окон, перехватывать ввод пользователя и распределять его в виде сообщений соответствующим приложениям. В рамках Windows приложение не может выводить свои данные непосредственно на экран, обрабатывать аппаратные прерывания или осуществлять вывод непосредственно на принтер. Вместо этого приложение использует функции Windows или ожидает соответствующих сообщений. С точки зрения приложения сообщение является уведомлением о том, что произошло некоторое событие, которое может требовать, а может и не требовать определенных действий. Таким событием может быть нажатие на клавишу, вызов пункта меню и тому подобное.

Память ПК представляет собой такую иерархию запоминающих устройств. Память -разная и отличается как объемом, так и временем доступа и, разумеется, стоимостью хранения одного бита.

Оперативная память не менее важный ресурс системы, чем процессор. ОП требует тщательного управления со стороны ОС. Особая роль памяти объясняется тем, что любой процесс(задача) может выполняться процессором только в том случае, если коды этой задачи и данные хранятся в ОП. Память распределяется между модулями прикладных программ и модулями самой ОС.

Основные функции ОС по управлению памятью следующие:

- отслеживание наличия свободной и занятой памяти

- выделение памяти процессам и освобождение памяти после завершения процесса

- если размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, то происходит вытеснение кодов и данных процессов из ОП на диск, а также возвращение их в ОП, когда в ней освобождается место

- настройка адресов программ на конкретную область физической памяти

- защита памяти процессов от взаимного вмешательства

На разных этапах жизни программы для представления переменных и кодов требуется 3 типа адресов:

- Символьные имена. Их присваивает пользователь при написании программы на одном из алгоритмических языков.(идентификаторы).

- виртуальные адреса - это адреса, которые вырабатывает компилятор при переводе программы на машинный язык. Так как во время компиляции в общем случае не известно, в какое место ОП будет загружена программа, то компилятор присваивает переменным и командам условные (виртуальные) адреса.

- физические адреса - номера ячеек физической памяти

Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Виртуальное адресное пространство процесса делится на две непрерывные части - системную и пользовательскую.

Наличие в ОС механизма виртуальной памяти и позволяет программисту писать программы так, будто в его распоряжении имеется однородная ОП большого объема, часто существенно превышающая объем имеющейся физической памяти.

Основная концепция виртуальной памяти

VITUAL MEMORY - виртуальная память

Область дисковой памяти, которая используется в качестве продолжения ОП. Если для хранения открытых приложений реальной ОП не хватает, то программы, не использующиеся в настоящий момент МП, выгружаются на диск. Когда одному из таких приложений передается управление, оно вновь загружается в ОП (а другое пассивное приложение может быть выгружено из ОП на диск).

Таким образом программы циркулируют между дисками и ОП. Поддержка виртуальной памяти позволяет открыть большее количество приложений одновременно, но выгрузка на диск и обратно снижают производительность ПК.

Реализация виртуальной памяти может быть различной, например, страничной. Виртуальная память процесса разделена на страницы фиксированной длины. Реальная память разделена на страничные кадры той же длины, что и страницы. Любая страница любого процесса потенциально может быть загружена в любой страничный кадр реальной памяти. Отображение страницы в страничный кадр описывается специальной таблицей -PMT-Page Map Table. Для каждого процесса в системе имеется одна PMT, которая используется аппаратурой для преобразования адресов виртуальной памяти в соответствующие адреса реальной памяти.(динамическое преобразование адресов). При создании процесса ОС загружает в ОП несколько его виртуальных страниц. Копия всего виртуального пространства процесса находится на диске. Остальные страницы загружаются в память по мере надобности.

Потоки разных процессов работают в разных адресных пространствах. ОС имеет доступ ко всем областям памяти, поэтому она может играть роль посредника в информационном обмене прикладных потоков. При запросе ОС создает различные системные средства связи, как то очереди, сообщения, конвейеры.

Файловая система

Файловая система - сложна, представляет огромную важность как основное хранилище всей информации вычислительной системы, поэтому ей необходимо уделить особое внимание.

Основные функции файловой системы:

- долговременное и надежное хранение информации;

- совместное использование информации;

Файл - это именованная целостная совокупность данных на диске. Файлы хранятся в памяти, не зависящей от энергопитания(чаще всего на магнитном диске).

Одна из основных задач ОС - предоставить пользователю удобства при работе с файлами. Для этого операционная система подменяет физическую структуру хранящихся на диске данных некоторой удобной пользователю логической моделью. Дело в том, что программы и данные организованы в файлы, которые хранятся на дисках. Данные записываются на поверхности диска на протяжении концентрически расположенных окружностей, называемых дорожками. Каждая дорожка разделена на части, называемые секторами. Количество данных, которые можно расположить на каждой поверхности диска, зависит от количества дорожек и от размера и количества секторов на них. Количество используемых поверхностей и количество дорожек на каждой поверхности - представляет собой аппаратные характеристики, различные для различных дисков. Эти характеристики нельзя изменить программно. Количество и размер секторов на каждой дорожке управляется программно, и их задание называется физическим форматированием диска.

В процессе форматирования диска, кроме физического, осуществляется и логическое форматирование, при котором создается логическая структура диска.Под логической структурой понимается разделение общего пространства(секторов) диска на фиксированные области.

БНЗ -блок начальной загрузки(первый сектор)

FAT -таблица распределения файлового пространства

Для каждого файла поддерживается цепочка элементов FAT. Каждый элемент указывает адрес области фиксированной длины, занимаемой файлом на диске. В каталоге, содержащем файл, есть указатель к началу цепочки.

Итак, физическая структура диска (поверхности, дорожки, сектора) подменяются с помощью ОС на логическую структуру в виде дерева каталогов. Дерево каталогов выводится на экран такими утилитами как Windows Commander, Windows Explorer и др. Базовый элемент этой логической структуры - файл.

Структура каталога, в котором хранится информация о файлах, принадлежащих данному каталогу, представляет последовательность 32-байтовых элементов. Каждый элемент каталога описывает входящий в него файл (или каталог). Вся служебная информация о файле находится в таком 32- байтовом элементе. Он называется -дескриптор файла.

Важны имя файла и номер первого кластера

Единица измерения пространства на диске - кластер

№ первого кластера, выделенного файлу, заносится в элемент каталога. Остальные № кластеров образуют односвязный список. Совокупность связных списков кластеров всех файлов диска образует FAT.

Файловая система - это часть ОС, которая включает в себя:

- совокупность всех файлов на диске(обычные, каталоги, специальные файлы)

- наборы структур данных для управления файлами(каталоги, дескрипторы файлов, FAT)

- комплекс системных программ для реализации операций над файлами (создание, уничтожение, копирование, поиск и т. д.)

Обычные файлы - содержат информацию произвольного характера, которая определяется приложением. Например, текстовые файлы. Их можно прочитать на экране и распечатать на принтере.

Каталоги - особый тип файлов. Они содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователем по какому-то неформальному признаку. Каталог устанавливает соответствие между именами файлов и их характеристиками (дескриптор файла) Во всех остальных отношениях каталог рассматривается файловой системой как обычный файл.

Специальные файлы - фиктивные, ассоциированные с устройствами ввода-вывода. Их используют для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам. Специальные файлы позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода с помощью обычных команд записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством.

Наша файловая система является иерархической. Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью.

Если файлу разрешается входить только в один каталог, то это -дерево. Один каталог на диске всегда - корневой. Он защищен, и его нельзя уничтожить.

Файловая система обеспечивает:

- создание и удаление файлов

- переименование и пересылку

- чтение, запись, обновление

- поиск

- перенаправление стандартного ввода-вывода

Это обеспечивается с помощью системных функций для работы с файловыми структурами. Все операции с файлами доступны через прерывания верхнего уровня.

Интерфейс прикладного программирования

Интерфейс прикладного программирования (API- Application Programming Interface).Это набор необходимых функций, при помощи которых любое приложение может взаимодействовать с ОС.

Возможности ОС доступны прикладным программам в виде набора функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования (функции API). Эти функции скрыты за оболочкой графического пользовательского интерфейса. Все особенности конкретной ОС представлены особенностями ее API. Приложения выполняют обращения к функциям API с помощью системы вызовов (очень похожие на вызовы подпрограмм). API устанавливает коммуникационный барьер - интерфейс, который используется всеми прикладными программами для доступа к сервисам ОС и изолирует их от аппаратных и программных деталей.

ОС - управляет системными ресурсами и служит фундаментом для написания прикладных программ. При программировании в Windows какой бы язык программирования вы не выбрали, очевидно, что базой является Winows API, и освоив его можно писать программы любой степени сложности, используя все возможности, предоставляемые ОС. Существуют различные формы реализации API.

Это может быть вызов или команда, запрашивающая у ОС согласие на выполнение некоторых действий. Например, функция ОС, вызываемая прикладной программой для выполнения операции ввода-вывода, такой как чтение с диска. Очевидно, что прикладной программе незачем знать подробности внутренней работы ввода-вывода. Программы ОС, выполняющие функции ввода-вывода и называемые подсистемами ввода-вывода, изолируют приложение от деталей аппаратной и программной реализации. Приложения, использующие для выполнения ввода-вывода только соответствующие API, не зависят от каких-либо изменений в структуре ввода-вывода на нижнем аппаратном уровне. По сути, это общий единый интерфейс для всех приложений,независимо от аппаратуры, и он легко расширяется.Но сложности современных приложений столь высоки, что разработка ПО только с использованием API и Паскаля или С уже не удовлетворяет программистов, поэтому предлагается визуальное программирование(Delphi) или применение библиотек классов, которые самостоятельно выполняют массу черновой работы.

аппаратное программное обеспечение операционная система

Интерфейс пользователя

ОС Windows поддерживает графический пользовательский интерфейс(мышь, пункты меню и т. п.). GUI(graphical user interface) - по сути вчерашний день. Он уступает дорогу сетевому интерфейсу пользователя NUI (network user interface) (IBM Microsoft Oracle Sun Netscape). NUI-интерфейсы по типу браузеров предоставляют пользователю прозрачный доступ к ресурсам, как локальных,так и удаленных сетей. Их задача заключается в том, чтобы средства удаленноой системы выглядели для пользователя так же привычно, как средства локального ПК. Многие создатели NUI следуют по пути Windows (панель задач меню окна). Другие пытаются упростить пользовательский интерфейс. Например, Sun выполнил NUI для JavaStation, где пользователю не надо открывать, закрывать или сохранять приложения. Все приложения выглядят выполняющимися постоянно. Один щелчок мыши позволяет переключаться между приложениями, которые всегда занимают полный экран, чтобы избежать путаницы перекрывающихся окон. Сейчас идет процесс отбора всего наилучшего для рабочего стола, ищется идеал, которого вероятно не достигнет ни один интерфейс. Есть попытки создания интерфейса, воспринимающего голос и рукописный текст.

Идет быстрое слияние рынков компьютеров - развлечения, коммуникации, потребительский. Границы между традиционными видами человеческой деятельности размываются: работа в офисе, дома, в дороге, обучение, ведение личных дел, отдых.

Размещено на Allbest.ru