Адресная структура команд микропроцессора и планирование ресурсов > 4 Виртуальная память > Система прерываний ЭВМ глава центральные устройства ЭВМ 1 Основная память
| Вид материала | Документы |
- Лекция Понятие об архитектуре компьютера, 241.89kb.
- Структура 32-разрядного универсального микропроцессора, 36.41kb.
- Реферат по курсу : «эвм и периферийные устройства» на тему: Микропроцессор В1801ВМ1, 162.43kb.
- Реферат на тему: "Внешние устройства персонального компьютера.", 375.1kb.
- Общая структура мпс, 582.11kb.
- Программа курса «unix», 18.71kb.
- 1 История развития компьютерной техники, поколения ЭВМ и их классификация Развитие, 1329.92kb.
- Малых ЭВМ (СМ эвм), 153.2kb.
- Тематическое планирование «Информатика» в 5 класс, 131.73kb.
- Лекция 5 Внутренняя память, 178.2kb.
Структура программного обеспечения ЭВМ
В настоящее время отсутствует единая классификация состава программного обеспечения. Литературные источники по-разному трактуют структуры программных средств ЭВМ различных классов. Наиболее сложное ПО по структуре и составу имеют большие универсальные ЭВМ широкого назначения, так как они призваны обеспечивать пользователей самыми разнообразными сервисными услугами независимо от характера их задач.
Программное обеспечение ЭВМ разделяют на общее, или системное (general Software),и специальное, или прикладное (application or special Software) (рис.9.1).
Рис. 9.1. Структура программного обеспечения
Общее ПО объединяет программные компоненты, обеспечивающие многоцелевое применение ЭВМ и мало зависящие от специфики вычислительных работ пользователей. Сюда входят программы, организующие вычислительный процесс в различных режимах работы машин, программы контроля работоспособности ЭВМ, диагностики и локализации неисправностей, программы контроля заданий пользователей,их проверки, отладки и т.д.
Общее ПО обычно поставляется потребителям комплектно с ЭВМ. Часть этого ПО может быть реализована в составе самого компьютера. Например,
в ПЭВМ часть программ ОС и часть контролирующих тестов записана в ПЗУ этих машин.
Специальное ПО (СПО) содержит пакеты прикладных программ пользователей (111111), обеспечивающие специфическое применение ЭВМ и вычислительной системы (ВС).
Прикладной программой называется программный продукт, предназначенный для решения конкретной задачи пользователя. Обычно прикладные программы объединяются в пакеты, что является необходимым атрибутом автоматизации труда каждого специалиста-прикладника. Комплексный характер автоматизации производственных процессов предопределяет многофункциональную обработку данных и объединение отдельных практических задач в 111111.
Специализация пакета определяется характером решаемых задач (паке ты для разработки экономических документов, рекламных роликов, планирования и др.) или необходимостью управления специальной техникой (управление сложными технологическими процессами, управление бортовыми системами кораблей, самолетов и т.п.). Такие специальные пакеты программ могут использовать отдельные подразделения, службы, отделы учреждений, предприятий, фирм для разработки различных планов, проектов, документов, исследований. В некоторых случаях СПО может иметь очень сложную структуру, включающую библиотеки, каталоги, программы-диспетчеры и другие обслуживающие компоненты. Программы СПО разрабатываются с учетом интересов определенной группы пользователей, иногда даже по их заказам и при их непосредственном участии.
СПО ПЭВМ комплектуется в зависимости от места и роли автоматизированного рабочего места (АРМ) работника, использующего в своей деятельности компьютер. В ПО ПЭВМ обычно включают небольшое число пакетов программ (табличный процессор, текстовый редактор, систему управления базами данных и др.). В последнее время наметилась тенденция к комплексированию и слиянию их в интегрированные программные продукты. Например, пакет MS Office фирмы Microsoft объединяет все перечисленные продукты.
Общее ПО включает в свой состав операционную систему (ОС), средства автоматизации программирования (САП), комплекс программ технического обслуживания (КПТО), пакеты программ, дополняющие возможности ОС (ППос), и систему документации (СД).
Операционная система служит для управления вычислительным процессом путем обеспечения его необходимыми ресурсами.
Средства автоматизации программирования объединяют программные модули, обеспечивающие этапы подготовки задач к решению, перечень этих I этапов был приведен в п. 1.5.
Модули КПТО предназначены для проверки работоспособности вычислительного комплекса.
Важной частью ПО является система документации, хотя она и не является программным продуктом. СД предназначается для изучения программных средств, она определяет порядок их использования, устанавливает требования и правила разработки новых программных компонентов и особенности их включения в состав ОПО или СПО.
По мере развития ЭВМ и ВС программное обеспечение постоянно усложняется по своей структуре и составу программных модулей. В настоящее время затраты на разработку и приобретение программных продуктов в несколько раз превышают стоимость технических средств (Hardware). Наиболее динамичное развитие оно получило в 80-85-е годы (см. рис. 1.5), когда были выявлены закономерности управления вычислительными процессами в однопроцессорных (одномашинных) системах.
Программное обеспечение современных ЭВМ и ВС строится по иерархическому модульному принципу. Это обеспечивает возможность адаптации ЭВМ и ВС к конкретным условиям применения, открытость системы для расширения состава предоставляемых услуг, способность систем к совершенствованию, наращиванию мощности и т.д.
Программные модули ПО, относящиеся к различным подсистемам, представляют для пользователя своеобразную иерархию программных компонентов, используемую им при решении своих задач (рис. 9.2).
Рис.9.2. Иерархия программных средств ЭВМ
Нижний уровень образуют программы ОС, которые играют роль посредника между техническими средствами системы и пользователем. Однако прямое использование команд ОС требует от пользователя определенных знаний и специальной компьютерной подготовки, сосредоточенности, точности и внимания. Этот вид работ отличается трудоемкостью и чреват появлением ошибок в работе оператора. Поэтому на практике пользователи, как правило, работают не напрямую с ОС, а через командные системы - пакеты программ, дополняющие возможности ОС (ППос).
Ярким примером подобных систем могут служить пакеты Norton Commander, Volkov Commander, DOS Navigator и другие, завоевавшие заслуженную популярность у пользователей. С помощью этих систем трудоемкость работы с компьютером значительно сокращается. Работа пользователя при этом заключается в выборе определенных рубрик меню. Механизм обращения к модулям ОС упрощается. Развитие и усложнение средств обработки ОС и командных систем привело к появлению операционных сред (например, Microsoft Window 3-х, Windows 95), обеспечивающих графический интерфейс с широчайшим спектром услуг.
С помощью ОС или операционных сред пользователь может активизировать любую нужную ему программу. В настоящее время на любой вид деятельности существуют, разрабатываются и совершенствуются 111111, позволяющие пользователям, даже не имеющим хорошей компьютерной подготовки, эффективно решать специфические задачи обработки информации (подготовка справок, писем, разработка документов, графическое представление данных и т.д.).
Квалифицированные пользователи, разрабатывающие собственные программные продукты, используют компоненты САП.
Программы КПТО непосредственного участия в вычислениях не принимают, они только обеспечивают их. Перед началом вычислений их задачей является проверка работоспособности аппаратуры и параметров сопряжения перечисленных уровней ПО.
Операционные системы
Центральное место в структуре ПО занимает операционная система. Она представляет собой "систему программ, предназначенную для обеспечения определенного уровня эффективности цифровой вычислительной системы за счет автоматизированного управления ее работой и предоставляемого пользователям набора услуг" (ГОСТ 15971-84).
Программные компоненты ОС обеспечивают управление вычислениями и реализуют такие функции, как планирование к распределение ресурсов, управление вводом-выводом информации, управление данными. Объем ОС и число составляющих ее программ в значительной степени определяются типом используемых ЭВМ, сложностью режимов работы ЭВМ и ВС, составом технических средств и т.д.
Применение ОС имеет следующие цели:
• увеличение пропускной способности ЭВМ, т.е. увеличение общего объема работы, выполняемой ЭВМ в единицу времени;
• уменьшение времени реакции системы, т.е. сокращение интервала времени между моментами поступления заданий в ЭВМ и моментами получения результатов;
• контроль работоспособности технических и программных средств;
• помощь абонентам и операторам при использовании ими технических и программных средств, облегчение их работы;
• управление программами и данными в ходе вычислений;
• обеспечение адаптации ЭВМ, ее структурной гибкости, заключающейся в способности изменяться, пополняться новыми техническими и программными средствами.
Любая ОС имеет средства приспособления к классам решаемых пользователями задач и к конфигурации средств, включаемых в ВС. Назначение состава услуг, которыми могут пользоваться абоненты, осуществляется различными методами. В больших ЭВМ формирование конкретной конфигурации ОС осуществляется на нескольких уровнях. Предварительно этот состав определяется при генерации ОС. "Генерация системы - это процесс выделения отдельных частей операционной системы и построения частных операционных систем, отвечающих требованиям системы обработки данных" (стандарт ISO 2382/10-79). Из полного набора программных модулей ОС (дистрибутива) формируется специальный набор этих средств, в наибольшей степени отвечающий запросам пользователей. Коррекция жесостава используемых услуг может быть выполнена непосредственно перед решением задач операторами вычислительного центра или самими пользователями. Оперативное обращение к средствам ОС возможно и из программ пользователей, путем включения в них специальных директив.
Применительно к ПЭВМ типа ЮМ PC, у которых пользователь является одновременно и оператором, этот процесс видоизменен. Для каждой ПЭВМ создается так называемый системный диск c соответствующим набором программ дисковой операционной системы (ДОС). При включении компьютера программой Bios Setup Program (программа начальных установок) обеспечивается запись основных параметров системы, которые сохраняются в CMOS-памяти компьютера. Окончательная настройка ДОС производится файлами autoexec.bat и config.sys, а также выполнением отдельных команд, набираемых в командной строке ДОС.
Для каждого типа ЭВМ возможно использование нескольких типов ОС. Все они имеют несколько версий. Для ЮМ PC распространение получили MS DOS фирмы Microsoft, OS/2Warp и DOS фирмы ЮМ, DR DOS фирмы Digital Research, DOS фирмы Novell. Отличия ОС определяются составом и детализацией системных функций. Более распространенной является MS DOS, она используется в большинстве компьютеров. Система DR DOS имеет очень развитые средства защиты информации и разграничение доступа, что предопределяет ее использование в системах с закрытием обрабатываемой информации. OS/2Warp позволяет более полно использовать возможности самых мощных микропроцессоров при организации вычислительного процесса. Novell DOS ориентирована на работу ЭВМ в сети.
Для уяснения процедур планирования вычислениями конкретизируем понятие вычислительного процесса.
Вычислительный процесс в системе представляется в виде последовательности, как правило, ветвящейся, простых процессов - одноразовых работ, выполняемых ресурсами ВС. Ресурсы ВС-это средства, необходимые для вычислений. К ресурсам ВС в первую очередь относят машинное время ЭВМ (процессоров), объемы внешней и особенно оперативной памяти, любые внешние устройства, подключаемые к ВС, вплоть до каналов связи. Ресурсами являются и программные средства как общего, так и специального ПО и даже отдельные информационные массивы, например базы данных, библиотеки и т.д.
Функции управления ресурсами осуществляет операционная система путем построения специальных управляющих таблиц, отражающих наличие и состояние ресурсов. Связь процессов в цепочки осуществляется по событиям, где событие - это изменение состояния ресурса, изменение его характеристик. Именно по событиям ОС включается в работу и адекватно реагирует на сложившуюся ситуацию.
Управление вычислительным процессом практически не может быть оптимизировано, если не считать "заложенной стратегии" в саму ОС, так как для этого просто отсутствуют необходимые данные.
Основу любой ОС составляет управляющая программа, основными функциями которой являются: управление заданиями, управление задачами - управление ходом выполнения отдельных программ, и управление данными.
Задание - это требование пользователя на выполнение некоторого объема вычислительных работ. Процедуры управления заданиями обеспечивают предварительное планирование работы ЭВМ и оперативную связь пользователя и оператора с машиной во время работы. Планирование работы включает: ввод пакетов или одиночных заданий , формирование очередей заданий в соответствии с их приоритетами, активизацию (запуск) и завершение заданий.
Каждое задание реализуется как определенная последовательность отдельных программ - задач. Задачи образуют отдельные программы вместе с обрабатываемыми ими данными. Например, типовое задание пользователя включает этапы трансляции, редактирования и собственно выполнения сформированной машинной программы. На каждом из этих этапов выполняется некоторая программа (задача), обрабатывающая определенные данные. Комплекс программ управления задачами обеспечивает автоматическое выполнение последовательности программ каждого задания пользователя.
Управление задачами требует распределения и назначения ресурсов (управления временем работы процессора, распределения оперативной памяти для программ пользователей и программ ПО, синхронизации выполнения задач и организации связей между ними, управления очередностью задач, внешними устройствами, защиты задач от взаимных помех). Ведущей программой управления задачами является управляющая программа-диспетчер: супервизор, базовый модуль ДОС или др. Часто используемые модули образуют ядро ОС, которое постоянно находится в оперативной памяти и быстро реагирует на изменяющиеся условия функционирования. Примером такой программы может служить командный процессор command.com для ПЭВМ типа ЮМ PC. Остальные программы ОС вызываются из ВЗУ в оперативную память ЭВМ по мере их надобности в вычислительном процессе.
Набор программ управления данными обеспечивает процессы организации, идентификации, размещения в ОП и на ВЗУ, хранения, построения библиотек и выборки всех данных, которые могут обрабатываться в ЭВМ.
В ПЭВМ программы управления заданиями представлены достаточно слабо, так как они изначально создавались как однопользовательские и однозадачные ЭВМ. С появлением ОС типа Windows, ориентированных на многозадачные и многопользовательские режимы, появились и эти процедуры. Программы управления задачами и данными представлены достаточно полно. Так, ядро MS DOS включает следующие системы: файловую, управления памятью, управления программами, связи с драйверами устройств для управления серийной аппаратурой, обработки ошибок, службы времени, общения с оператором.
Структурно ОС IBM PC состоит из следующих элементов, представленных на рис.9.3. Кроме программных компонентов, указанных на рисунке, к ДОС относят еще вспомогательные файлы autoexec.bat и config.sys. Они предназначаются для настройки на конкретные режимы работы.
Программа начальной загрузки (Boot Record) находится в первом секторе на нулевой дорожке системного диска. Она занимает объем 512 байт. После включения компьютера и его проверки постоянный модуль BIOS формирует вызов данной программы и ее запуск. Назначением программы начальной загрузки является вызов модуля расширения IO.sys и базового модуля ДОС MS DOS.sys.
Базовая система ввода-вывода (BIOS) является надстройкой аппаратурной части компьютера. Постоянный модуль BIOS отвечает за тестирование компьютера после его включения, вызов программы начальной загрузки. Модули BIOS обрабатывают прерывания вычислительного процесса нижнего уровня и обслуживают стандартную периферию: дисплей, клавиатуру, принтер, дисководы.
Модуль расширения BIOS обеспечивает подключение к компьютеру дополнительных периферийных устройств, изменение некоторых параметров ДОС, замещение некоторых стандартных функций, загрузку командного процессора и его запуск.
Базовый модуль ДОС (MS DOS.sys или IBM DOS.com) отвечает за работу файловой системы, обслуживает прерывания верхнего уровня (32...63), обеспечивает информационное взаимодействие с внешними устройствами.
Командный процессор (command.com) предназначен для выполнения команд, загружаемых в командную строку ДОС. Все команды ДОС делят на внутренние и внешние. Внутренние команды содержатся внутри самого файла command.com. Внешние команды - это требования запуска каких-либо программ, находящихся на дисках. Кроме этого, командный процессор выполняет команды файла autoexec.bat, если он находится на системном диске.
Файл autoexec.bat содержит список команд, выполнение которых позволяет развернуть в оперативной памяти компьютера некоторый набор вспомогательных программ или пакетов для обеспечения последующей работы пользователя.
Файл config.sys отражает специфические особенности формирования конфигурации компьютера, т.е. состава его технических и программных средств.
В связи с постоянным совершенствованием ПЭВМ и улучшением их характеристик (быстродействия и емкости памяти) все большее число ЭВМ используют более сложные интегрированные ОС типа MS Windows 95, OS/2 Warp и им подобные.