Рабочая программа и задание на курсовую работу с методическими указаниями для студентов IV курса специальности Москва 2007

Вид материала

Содержание

071900. Информационные системы (железнодорожный транспорт) (исж)
Рабочая программа
2. Содержание дисциплины
2.1.Понятие эвм, вс и вк
Методические указания
2.2. Классификация вс
Методические указания
2.3. Архитектура эвм, вс
Методические указания
Вопросы для самопроверки
2.4. Функциональная и структурная организация вс
Система прерываний.
14называют программами обработки прерываний - ISR (Interrupt Service Routine). Аппаратные прерывания
2.5. Организация памяти
Методические указания
Расширенная память
Дополнительная память
Реальный режим
Защищенный режим
2 6. Конфигурирование вс
...
Полное содержание

Подобный материал:

МПС РОССИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

20/33/2

Утверждено

деканом факультета Одобрено кафедрой

«Автоматика, связь «Вычислительная техника»

и вычислительная техника»

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ

Рабочая программа и задание на курсовую работу

с методическими указаниями

для студентов IV курса

специальности

Москва - 2007

071900. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ТРАНСПОРТ) (ИСЖ)

Программа разработана ни основании учебной программы поданной дисциплине в соответствии с государственными требованиями к уровню подготовки инженера специальности 071900.

Составитель - д-р техн. наук, проф. Г. В. CAMMЕ

Рецензент - канд. техн. наук, доц. В. С. BОЛКОВ

(Служба информации и связи Московской ж. д.)

Курс - V.

Всего – 170 ч

Лекционные занятия - 12 ч.

Лабораторные занятия - 12 ч.

Самостоятельная работа- 116ч. Курсовая работа - 1 (количество).

Зачет - 1 (количество)

Экзамен - 1 (количество)

© Российский государственный технический

университет путей сообщения, 2007

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является изучение студентами специальности 071900 современного состояния, тенденций и перспективы развития электронных вычислительных машин (ЭВМ), вычислительных систем (ВС) и вычислительных комплексов (ВК), архитектур ЭВМ, ВС и ВК, функционирования и структурной организации ВС, организации и управления памятью, конфигурирования ЭВМ и ВС.

В результате изучения дисциплины студенты ДОЛЖНЫ:

1. Знать организацию и функционирование ЭВМ, ВС и ВК,
архитектуру систем и комплексов, системы автоматизированного
схемотехнического проектирования систем и комплексов.

2. Уметь выполнять анализ и синтез ВС и ВК, решать вопросы организации и ynpaвления памятью, конфигурирования ЭВМ и ВС.

3. Овладеть методами проектирования оперативной памяти (ОП) с организацией управления и защиты ОП, схемотехнического проектирования ЭВМ и ВС.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени развитие средств вычислительной техники (СВТ) прошло несколько этапов, эксплуатируются ЭВМ четвертого поколения на пороге машины пятого поколения. От использования отдельных (в автономном режиме) ЭВМ перешли к системам и комплексам, существенно изменились архитектура СВТ, режимы

3

функционирования, оргашшция памяти, внедрено управление и защита памяти. ЭВМ стали объединяться в локальные вычислительные сети (ЛВС). Все эти изменения с одной стороны диктовались потребностью в СВТ, с другой стороны, бурным развитием технологии микроэлектроники и теории организации и использования СВТ.

2.1.ПОНЯТИЕ ЭВМ, ВС И ВК

Тенденция развития ЭВМ, ВС, ВК. Переход от однопрограммных режимов к мультипрограммным. Понятие задания, задачи. Комплекс программ управления заданиями. Роль интерфейса в функционировании систем и комплексов.

[1; 2; 3; 4; 5]

Методические указания

ЭВМ совокупность аппаратных и программных средств, пред-

назначенная для ввода-вывода, хранения и обработки информации. Основная особенность ЭВМ-автоматическое управление процессом решения заданий на основе принципа программного управления.

ВС - совокупность аппаратных средств ЭВМ и программного обеспечения (ПО).

Эксплуатируются однопроцессорные (подразумевается число центральных процессоров) и многопроцессорные ВС.

Многопроцессорные ВС - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров, периферийного оборудования (ПУ) и программного обеспечения для автоматизации процессов приема, хранения, обработки и выдачи информации и ориентиро- ванных либо на достижение сверхвысокой производительности, либо на повышение и живучести СВТ

Надо учитывать, что ВС более широкое понятие, чем ЭВМ.

ВС – характеризуется сложностью оборудования, тесной связью аппаратных и пpoграммных средств, множеством возможных конфигураций, объединением нескольких машин (это скорее относится к ВК).

ВС могут быть однопрограммные и мультипрограммные; могут работать в режиме индивидуального пользователя и в режиме коллективного пользования; ВС могут работать с телеобработкой, в сетях.

4

По назначению ВС делятся на: вычислительные, информационно-справочные, ориентированные на применение в автоматизированных системах управления (САУ, САУТП, АСУ, САПР и т.д.).

Следует обратить внимание на то, что АСУ не подменяет работников управления, а обеспечивает их систематизированной информацией для принятия наиболее эффективных решений. АСУ находят все более широкое применение.

Под вычислительным комплексом (ВК) понимают совокупность технических средств, включающих в себя несколько ЭВМ, общесистемное (базовое) программное обеспечение. ВК должен обеспечивать высокую производительность, надежность и, как правило, режим реального времени.

Так как СВТ программно управляемые, то в понятиях организации ЭВМ, комплексов и систем необходимо рассмотреть разновидности применяемого программного обеспечения, обратив внимание на роль заданий, задач и комплекса программ управления заданиями (КПУЗ).

Задание-это минимальная независимая (самостоятельная) единица работы ВС, которая может претендовать на ресурсы ВС.

Задача - часть задания на выполнение конкретной работы на каждом шаге (например, транслировать, вычислить,

записать).

Комплекс программ управления заданиями (КПУЗ) предназначен для мультипрограммного (мультизадачного) режима и обеспечивает прохождение потока заданий через ВС при минимальном вмешательстве оператора и выполняет следующие функции:

анализ входного потока заданий (просмотр наборов данных, интерпретация управляющих операторов, составление управляющих таблиц с описанием каждого задания);
распределение устройств ввода-вывода (УВВ) и объемов
внешнего запоминающего устройства (ВЗУ), выделение требуемо
го объема памяти каждому заданию на конкретном ЗУ с прямым доступом;
формирование системной очереди на выполнение заданий в соответствии с их приоритетом;

выполнение команд оператора путем диалога (выдача запросов и сообщений оператору, информация о состоянии задания и ЭВМ и т.д.);
передача управления программе, управляющей задачами, после подготовки задания к выполнению.

В КПУЗ основной компонент - это программа-супервизор, которая входит в ядро оперативной системы (ОС) и всегда находится в ОЗУ, взаимодействуя с планировщиком заданий.

Следует обратить внимание на функции управления заданиями, в число которых входят: распределение оперативной памяти (ОП) между заданиями, загрузка программ в ОЗУ, организация службы времени, переключение управления с одной задачи на другую, защита заданий от непредусмотренного взаимного влияния, запуск операций ввода -вывода.

Важную роль играет в работе СВТ интерфейс.

Интерфейс (стандартное сопряжение) – совокупность логических и физических принципов взаимодействия компонентов в системе, т.е. совокупность алгоритмов и временных соглашений по обмену данными между компонентами системы (логический интерфейс), а также совокупность физических и функциональных характеристик средств подключения,. реализующих взаимодействие (физический интерфейс).

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение вычислительной системы (ВС).

2. И чем различие между понятиями ЭВМ и ВС ?

3. Перечислите основные свойства многопроцессорной ВС.

4. Выполните сравнение между ВС и ВК.

5, Какие функции выполняет комплекс программ управления зaданиями?

2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВС

ЭВМ общего назначения, специализированные ЭВМ, ПЭВМ, ВС, супер ЭВМ (маинфреймы), параллельные многопроцессорные ВС, матричные, конвейерные, потоковые ВС, многомашинные комплексы.

[1; 2; 3; 4; 13; 15; 20; 21]/

6

Методические указания

Классификация средств вычислительной техники связана с историей развития. Первые ЭВМ разрабатывались в виде больших (мощных) машин для специальных назначений ("Унивак" в США, МЭСМ, БЭСМ в СССР ...). В 1961 году были выпущены ЭВМ второго поколения на полупроводниковой элементной базе, в них использовали УВВ, ОС, алгоритмические языки.

ЭВМ третьего поколения - это не только использование ИС и БИС, но и внедренный режим работы с резервированием времени, совместное использование ресурсов многими независимыми заданиями, виртуальная память, УВВ.

Были сняты все ограничения на область допустимых задач с точки зрения эффективной загрузки машин.

К 70-м годам стала проектироваться ВС (а не в отдельности аппаратура и ПО) состоящая из совокупности аппаратных средств и ПО.

Возникли новые важные понятия "Архитектура ВС" и "Модуль".

Модуль - автономное, логически и конструктивно законченное устройство, которое выполняет определенные функции в ВС.

Модульная конструкция позволяет производить наращивание вычислительной мощности и подключение новых устройств по мере необходимости (менять конфигурацию ВС).

Получило развитие ПО.

Под программным обеспечением (ПО) понимают совокупность методов, приемов и средств, позволяющих эффективно разрабатывать программные решения конкретных задач пользователей на ВС, эффективно управлять работой ВС и обеспечивать ее высокую надежность.

Первые ЭВМ (супер ЭВМ) предназначались для работы в режиме реального масштаба времени.

Система, работающая в реальном масштабе времени, предназначена для непосредственного и постоянного управления объектом, поэтому она должна удовлетворять ряду необходимых требований.

В настоящее время многие микроЭВМ работают в режиме реального масштаба времени.

7

В 1965 году был разработан первый микропроцессор, а в 1981 году - первая работоспособная, широко применяемая IBM PC -ПЭВМ.

ЭВМ четвертого поколения развиваются в двух основных направлениях.

Первое направление. Создание мощных многопроцессорных ВС с производительностью в десятки и сотни млн. операций в секунду.

Многопроцессорные ВС - это взаимосвязанная совокупность СВТ, в которую входят не менее двух основных процессоров (ЦП) и развитая система периферийных устройств (ПУ).

Находят применение и многомашинные вычислительные комплексы (МВК).

В настоящее время на базе СБИС создаются параллельные вычислительные системы, основой которых являются большое количество элементарных параллельных процессоров. Такие структуры получили название потоковые.

Параллельные многопроцессорные вычислительные системы по классификации Флина имеют следующие разновидности:

а) ОКОД - одиночный поток команд, одиночный поток данных;

б) ОКМД - одиночный поток команд, множественный поток данных (матричные процессоры, ассоциативные устройства);

в) МКОД - множественный поток команд, одиночный поток данных (конвейерные ВС);

г) МКМД - множественный поток команд, множественный поток данных (многопроцессорные вычислительные системы с комбинированным и переменным потоком команд и данных с комбинированной, перестраиваемой структурой).

Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) в зависимости от типа коммутации модулей процессора памяти и каналов ввода - вывода могут быть организованы следующими способами.

при помощи шины с распределением ее во времени;
при матричном коммутаторе перекрестных связей;
при помощи множества шин с использованием многовходовой памяти.

8

К МПВС относятся "Эльбрус 1", "Эльбрус2" с производительностью свыше 100 млн.операций в секунду.

Обратите внимание на то. что с развитием СВТ концепцию вычислительной машины (ВМ) с фиксированным составом оборудования (где главное место занимало само устройство обработки информации) сменила концепция агрегатированной вычислительной системы с переменным составом оборудования, который определяется выполняемыми функциями. Вошел в жизнь процесс конфигурирования ПК, ВС. При таком подходе отдельные функциональные устройства выполняются в виде агрегатов (модулей), которые в нужных номенклатуре и количестве объединяются в ВС.

Второе направление. Создание дешевых и компактных микроЭВМ на базе микропроцессоров (МП) 386, 486, Pentium, которые обеспечивают параллелизм процессов обработки, асинхронность взаимодействия устройств и процессов, иерархичность структуры, модульность и перенастраиваемость конфигурации. Эти ЭВМ стали базой разработки локальных вычислительных сетей (ЛВС).

Вопросы для самопроверки

По каким признакам классифицируются СВТ?
Какими возможностями обладали первые ЭВМ?
Какие характерные черты ЭВМ третьего поколения?
Раскройте понятие вычислительной системы.
Опишите разновидности ВС.
Какие преимущества агрегатированной ВС?
В каких направлениях развиваются ВС четвертого поколения?
Опишите параллельные многопроцессорные вычислительные системы по классификации Флина.

9. Сравните МПВС и многомашинные комплексы (ММК).

2.3. АРХИТЕКТУРА ЭВМ, ВС

Понятие архитектуры ЭВМ, систем и комплексов. Классическая фон-Неймановская архитектура. Особенности и недостатки фон-Неймановской архитектуры. Разрыв между возможностями аппаратных средств ЭВМ и программным обеспечением. Кризис программ-

9

ного обеспечения. Потребность обеспечения параллелизма при обработке задач. Risс и Cisc - архитектуры. Черты архитектур ВС четвертого и пятого поколений. Мультизадачная архитектура. Архитектура многопроцессорных ВС. [1;2; 3; 4; 5; 17; 20; 21; 27; 30] .

Методические указания

Под архитектурой понимают совокупность свойств и основных характеристик, раскрывающих возможности ЭВМ и ВС (функциональные средства, принципы обработки данных, организация вычислительного процесса, логическая организация совместной работы различных устройств и т.д.).

Первая архитектура ЭВМ была разработана фон-Нейманом до появления ЭВМ и ей были свойственны следующие характерные черты: была единственная последовательно адресуемая память; программа и данные хранились в одной памяти; предусмотрено было последовательное выполнение команд программы до появления специальных указаний (команд перехода).

С развитием средств вычислительной техники, с одной стороны, появилась потребность в совершенствовании взаимосвязи структуры ВС и ПО, требования к ВС достигли высокого уровня сложности, с другой стороны, развитие технологии СБИС привело к резкому уменьшению стоимости оборудования, что привело к перераспределению выполняемых функций между аппаратными средствами и ПО.

Следует разобраться с причинами и последствиями изменения и развития архитектур ВС.

Обратите внимание, что система информационных объектов, которыми оперируют машинные команды ЭВМ, как правило очень проста. Она привязана к линейной (последовательно адресуемой) памяти машины. Основной состав объектов, исчерпывается числами в форме с фиксированной и плавающей точками, двоичными кодами и ограниченной последовательностью объектов.

В то же время расширение объектов и классов решаемых задач с помощью ВС заставило в современных языках программи-

10

рования использовать значительно более сложные структуры, строки, списки, составные части программ (блоки, подпрограммы, обработки прерываний и т.п.), новые объекты (чертежи, слуховые и зрительные образы, выражения математического анализа).

Изменился и подход к проблеме организации вычислительного процесса, теперь, часто, предметом вычислений являются не данные хранимые в ячейках памяти, а разнородные классы абстрактных объектов, корректная манипуляция которыми и является целью организации вычислений.

Обратите внимание на характерные черты новых архитектур, а именно на обеспечение параллелизма процесса обработки, внедрение мультипрограммирования, применение ВС и ВК.

Специалисты стали применять принцип разделения времени не только на больших ВС, но и на ПЭВМ. Потребовались программы управления заданиями (планировщик), управлению памятью.

Переход к мультизадачной архитектуре гарантирует изолирование заданий друг от друга и защиту ОС от ошибочных или злонамеренных прикладных программ (защиту памяти).

Мультипрограммные машины имеют более сложную логическую структуру. Необходимо познакомиться с предусмотренными в этих машинах средствами распределения памяти, прерываниями и приоритетами, со службой времени.

Появились архитектуры виртуальных машин, архитектуры микропроцессорных ВС.

Виртуальная машина обеспечивает совместное использование (разделение) ресурсов многими независимыми заданиями.

Архитектура многопроцессорных ВС должна обеспечить распараллеливание процесса решения задания.

Следует обратить внимание на то, что трудность при разработке новой архитектуры параллельных вычислительных систем (многопроцессорных ВС) заключаются в том, что необходимо привести программы (решаемые задания) к "параллельному виду", т.е. программа должна быть представлена в такой форме, чтобы в ней был выделен ряд частей (она должна быть расчленена), которые могли бы выполнять или считываться одновременно.

11

Появилась объектно-ориентированная архитектура - переход с уровня команд на уровень заданий.

Система машинных команд ЭВМ является определяющей частью архитектуры ЭВМ. Именно система команд определяет интерфейс взаимодействия отдельных компонентов архитектуры.

Система команд Cisc (complex instruction set computer) - компьютер с полным набором команд.

Система команд Rise (reduced instruction set computer) - компьютер с сокращенным набором команд.

Вопросы для самопроверки

Какой принцип был положен в основу Rise архитектуры ?
Многопроцессорные ВС, с количеством процессоров более
10 требуют нового подхода новой архитектуры. В чем заключается
этот новый подход?
В чем причины долгожительства фон-Неймановской архи
тектуры?
Какие условия потребовали пересмотра фон-Неймановской
архитектуры?
Перечислите характерные черты архитектур ЭВМ и ВС чет
вертого поколения.
На каких операционных системах можно реализовать муль
типрограммную архитектуру?
В чем заключается организация управления процессом?
Перечислите необходимые условия реализации мультипрог
раммного режима.
В чем отличие Cisc и Rise архитектур?

2.4. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВС

Процесс. Управление процессом. Однопрограммный, мультипрограммный, многозадачный режимы. Работа в реальном масштабе времени. Поток. Коммутация задач, организация прерывании организация ввода - вывода. Интерфейсы.

[1; 2; 3; 4; 9; 10; 12; 14; 18].

12

Методические указания

Процесс, или задание - это последовательное выполнение потока команд. Большинство современных ОС (OS супер ЭВМ, OS/2, UNIX, Windows 95, Windows NT) допускает совмещение во времени нескольких процессов. Если в распоряжении системы находится только один центральный процессор, то указанное совмещение является своего рода иллюзией, создаваемой за счет разделения процессов на временные интервалы и перехода процессора от обслуживания в некотором интервале одного процесса к другому процессу в другом интервале времени (режим разделения времени).

Функциональная организация ВС предусматривает управление процессом, управление памятью, защиту от несанкционированного доступа.

Управление процессом осуществляется с помощью коммутации процессора или процессоров между процессами, создание и уничтожение процессов, синхронизации процессов, организации связи между процессами. Управление процессами осуществляет комплекс программ - КПУЗ.

Проблема управления процессом возникла с внедрением мультипроцессорных систем. В этих системах обеспечено надежное, одновременное и систематическое управление несколькими программами, каждая из которых контролируется специальным окном на экране дисплея. Надо учитывать, что в данный момент времени активной может быть только одна задача, а остальные находятся в состоянии "ожидания". Работа ЦП разбита на "временные интервалы" от нескольких микросекунд до нескольких секунд для выполнения одной задачи. В действительности существует строгая после- -довательность выполнения заданий с помощью планировщика задач, но создается впечатление за счет режима разделения времени, что все задачи выполняются одновременно.

Обратите внимание на понятие "поток" - это базовая единица, управляемая планировщиком задач, который постоянно контролирует заполненность ЦП и набор активных задач.

Управление процессом потребовало ввести и управление памятью, но об этом в следующем разделе курса.

13

Для реализации мультипрограммного режима необходимо было обеспечить: емкость памяти достаточной для нескольких заданий, возможность параллельной работы процессора и ПУ. работу управляющих программ, защит}⁷ памяти и использование системы прерываний.

Система прерываний. Концепция прерываний и связанная с ней концепция исключительных ситуаций составляет фундамент конфигурации процессоров Intel 80x86. Это идеи, которые были реализованы на больших ЭВМ и перенесены на микроЭВМ. Вы должны быть знакомы с "нормальной работой" ЭВМ без нарушения процесса и переключения заданий. Теперь пора вспомнить процедуру вызова подпрограмм и познакомиться с программными прерываниями, а также с двумя способами вторжения в нормальную работу ЭВМ с помощью аппаратных прерываний и реакции на исключительные ситуации.

Существует несколько видов, уровней или классов прерываний.

Следует рассмотреть программное прерывание. Программные прерывания похожи на команду CALL (вызов подпрограмм), за исключением того, что программист, использующий их в своей программе, может не иметь ни малейшего представления о том, где будут располагаться программы - обработчики прерываний. Вместо адресов подпрограмм они должны знать стандартный способ указания, какую именно подпрограмму использовать и как ей сообщить, что конкретно требуется сделать. Сталкиваясь с командой программного прерывания, ЦП приостанавливает выполнение текущей программы и начинает поиск подходящей подпрограммы для выполнения. Когда вызванная программа закончит свою работу, ЦП возобновляет обработку прерванной программы с того места, где она была приостановлена.

Способ, который ЦП, сталкиваясь с программным прерыванием, ищет подпрограмму обработки прерывания, очень гибок. Поиск подпрограммы ЦП осуществляет с помощью специальной таблицы в нижней части памяти. Эта таблица должна иметь строку адреса для любого возможного номера прерывания. Числа в таблице называют векторами прерывания. Подпрограммы, вызванные через таблицу векторов прерываний,

14

называют программами обработки прерываний - ISR (Interrupt Service Routine).

Аппаратные прерывания (ответ на внешние события).

Существуют две основные стратегии получения сигналов ЦП из внешнего мира: путем опроса и с помощью аппаратных прерываний. Первая стратегия проста, но она не эффективна и неуклюжа. Вторая требует, чтобы процессор и другие МС материнской платы были оборудованы специальными электронными схемами. Поддержка аппаратных прерываний требует дополнительных затрат, но они себя окупают.

Суть аппаратных прерываний заключается в том, что внешнее, по отношению к ЦП, устройство посылает запрос на прерывание. Специальное аппаратное обеспечение на материнской плате (контроллер прерывания) принимает запрос с конкретным номером, а далее ЦП реагирует на аппаратное прерывание так же, как если бы это были программные прерывания с теми же номерами.

Существует еще один способ нарушения нормального потока управления - исключительные ситуации. В ЦП есть несколько электронных схем, контролирующих возникновение проблем в нем самом. Например, если программа попросит разделить число на нуль, то возникает неприятная ситуация. Если возникает одна из затруднительных ситуаций, то процессор прерывает свою работу с помощью механизма обработки исключительных ситуаций.

Таким образом существуют следующие типы прерываний: прерывания от схем контроля машины, программные прерывания, прерывания от ввода - вывода, внешние (аппаратные) прерывания, прерывания при обращении к супервизору, прерывания повторного пуска, прерывания ПДП.

Необходимо вспомнить функции и назначения ОС, которая является важнейшей и центральной частью ПО и предназначена для эффективного управления вычислительным процессом, планирования работы и распределения ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения, облегчения общения оператора (пользователя) с машиной.

Необходимо обратить внимание на ROMBIOS, которая выполняет три основные функции.

15

предоставляет ОС аппаратные драйверы и осуществляет со
пряжения между материнской платой и другими элементами ЭВМ;
содержит тип проверки системы - POST;
содержит программу установки параметров BIOS и аппарат
ной конфигурации PC (CMOS-Setup).

Вопросы для самопроверки

Когда появилась потребность в центральном процессоре?
Дайте краткую характеристику режимам работы ВС (одно-
программный, мультипрограммный, пакетной обработки задач, ре
жим реального масштаба времени). На каких ЭВМ использовали
перечисленные режимы?
Каким требованиям должна удовлетворять система, работа
ющая в реальном масштабе времени?
Что понимают под понятием нормального потока управления?
Какие известны нарушения нормального режима ВС?
Приведите примеры использования программных прерываний.
Приведите примеры использования аппаратных прерываний.
Каким образом используется прерывание при использова
нии прямого доступа к памяти?

2.5. ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ

Оперативная (основная) память. RAM (ОЗУ), ROM (ПЗУ), кэшпамять, стек. Системная (стандартная, нижняя) память. Верхняя память. Расширенная память. Дополнительная память. Область верхних адресов памяти. Виртуальная память. Страничная организация памяти. Режимы использования памяти: реальный, защищенный. Сегменты, смещения, селекторы, дескрипторы. Управление памятью. Защита памяти.

[9; 14; 18].

Методические указания

Памятью ВС называют совокупность устройств, предназначенных для заполнения, хранения и выдачи информации. При обращении к памяти производится считывание или запись некоторой еди-

16

ницы данных - различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть байт, машинное слово или блок данных.

Важнейшими характеристиками отдельных устройств являются емкость и быстродействие.

Для одновременного достижения большой емкости и необходимого быстродействия память стали строить с соблюдением иерархического принципа. Внешняя память (ВЗУ) на НЖМД (винчестеры), НГМД, CD ROM, WORM (перезаписываемая оптическая память) выполняет роль хранилища для информации. Оперативная (рабочая) память на электронных устройствах (RAM-ОЗУ. ROM -ПЗУ) непосредственно взаимодействует с ЦП при выполнении заданий. Для повышения быстродействия используют кэш-память.

Для эффективного использования оперативной памяти необходимо разобраться с типами памяти.

Системная (стандартная, нижняя) память включает область пространства адресуемой памяти от 0 до 640 Кбайт. Системная память-это специальный раздел пространства адресной памяти предназначенный для ОС, прикладных программ.

Поначалу специалистам казалось, что 640 Кбайт вполне достаточно, однако сейчас все считают что 640 Кбайт - унизительно маленький объем памяти, которого едва хватает для выполнения чего-либо полезного.

С 1981 года фирма IBM поставила на рынок ПК с PC DOS (a затем MS DOS) и двадцатиразрядной адресной шиной. Такой ПК мог адресовать до 1 Мбайт памяти. Фирма IBM определила разделы пространства памяти по принципу их использования. Верхние 384 Кбайт (верхняя память) предназначались для буфера видеодисплея, ROM и специальных системных целей. Первые 640 Кбайт отводились для общепрограммного использования. Небольшая часть этого объема памяти использовалась самой ОС.

Нехватка оперативной памяти побудила специалистов к поиску путей увеличения объема ОП и привела к разработке различных вариантов расширенной памяти.

Расширенная память (EMS) позволяет даже самым маленьким PC и XT, которые могут адресовать всего 1 Мбайт ячеек, использовать до 8 или даже 32 Мбайт наращиваемой памяти.

17

Стратегия, лежащая в основе расширенной памяти, основывается на переключении банков памяти. Расширенная память - это выход за пределы RAM с помощью специальных плат памяти, используя адресацию через окно системной области памяти.

Для повышения расширенной и дополненной памяти необходимо разобраться с понятиями: сегмент, смещение, банк, страница,

параграф.

Расширенная память использует платы страничной записи данных. Для управления расширенной памятью разрабатывались программы в соответствии с договоренностью по спецификации (не официальному стандарту) фирм Lotus - Intel -

Microsoft (LIM).

Документ LIM-EMS описывал и стандарт построения платы страничной платы и драйвер устройства для управления платой. Стандарт предписывал использовать в качестве окна страниц расширенной памяти раздел в пространстве памяти размером в 64 Кбайт, который должен был делиться на четыре страницы по 16 Кбайт каждая. Администратор (программа) расширенной памяти должен был получать запросы от прикладных программ и выделять приложениям свободную память на плате EMS.

Дополнительная память - это раздел пространства памяти, адресуемой ЦП, расположенной выше 1 Мбайт.

Первое использование дополнительной памяти стало возможно на IBM PC/AT (с чипом 80286), но в ограниченном размере до 16 Мбайт (адресная шина имела 24 разряда).

С выпуском полностью 32-х разрядного ПК с процессором 80386 появилась возможность практически неограниченного использования дополнительной памяти.

Для организации и управления памяти важное значение имеют режимы (реальный и защищенный).

Реальный режим называется так потому, что является оперативным режимом всех членов семейства МП 80x86 в момент подачи на них напряжения или после перезагрузки системы.

Поскольку такой режим является единственным для процессора 8086/8088, a DOS была создана для управления именно этим ПК, DOS является программой реального режима.

18

Обратите внимание на то, что логический адрес в реальном режиме состоит из 16-ти разрядного значения сегмента (при использовании 4-х разрядов) и 16-ти разрядного смещения (сегмент: смещение). Комбинация двух значений дает 20-ти разрядный линейный адрес.

Защищенный режим предназначен для поддержания мультипрограммной работы. Иначе говоря, он обеспечивает защиту одновременно выполняющихся программ друг от друга. Защищенный режим был использован в мире больших машин и перенесен на ПЭВМ

В защищенном режиме увеличивается роль сегмента с помощью которого через таблицу дескрипторов определяется и часть реального адреса и дополнительная информация (права доступа) для реализации защиты.

Следует обратить внимание на страничную организацию памяти. Страница - это область памяти, которой можно манипулировать в одной операции. При страничной организации памяти преобразование логического адреса (в форме сегмент: смещение), генерируемого программой, в линейный адрес происходит, как и прежде с использованием таблиц, в которых включены опции страничного обмена. Система страничной организации памяти обеспечивает дополнительный шаг преобразования логического адреса в линейный и поддерживает полную страничную виртуальную память (умозрительная память, позволяющая использовать НЖМД в качестве ОП).

Система страничной организации памяти дает возможность использовать любой раздел физической памяти в любом желаемом месте линейного пространства памяти, адресуемой ЦП.

Обратите внимание, что страница - это количество информации, которое Windows перемещает из одного места в памяти в другое или с диска в память как одно целое. Эта возможность позволяет извлечь все преимущества страничного обмена, используя LIM EMS 4.0, не покупая дополнительной платы расширенной памяти EMS. Все что нужно для переотображения памяти в другие области - это соответствующие ПО, управляющее устройством страничного обмена. В качестве такого ПО в данном случае можно использовать LIM - эмулятор 386.

19

Следует познакомиться и с другими стандартами, связанными с управлением памятью, например, с ХМС (Microsoft Extended Memory Specification) - спецификация дополнительной памяти и программой управления дополнительной памятью EMM 386.EXE, 386 MAX.

Заслуживает внимание как автоматическое и полуавтоматическое, так и ручное управление памятью.

Вопросы для самопроверки

Какое назначение ВЗУ и оперативной памяти (ОП)?
Какую роль играет системная (стандартная, нижняя) память?
Почему в ПК адресное пространство в 1 Мбайт было разде
лено на 640 Кбайт нижней памяти и 384 Кбайт верхней памяти?
Какие причины вызвали разработку расширенной памяти?
Какие условия использования расширенной памяти?
Какое программное обеспечение требуется для использова
ния расширенной памяти?
Дайте определение дополнительной памяти.
При каких условиях можно использовать дополнительную
память?
На каких ПК и с какими ОС используют реальный режим?

Какие задачи решает защищенный режим?
Какие преимущества у страничной организации памяти?
Опишите виртуальную память.
Какие виды кэш-памяти используют в ПК?
Перечислите стандарты, обеспечивающие управление рас
ширенной памятью.

2 6. КОНФИГУРИРОВАНИЕ ВС

Установка параметров аппаратуры ПК. Настройка аппаратных средств. Настройка программных средств. Настройка BIOS. Загрузка программ по управлению памятью. Сохранение и изменение информации о конфигурации в CMOS. Автоматическая конфигурация со значениями, установленными изготовителем.

[6; 7; 8].

20

Методические указания

Конфигурирование ПК охватывает следующие виды работ: установку параметров жесткого диска, кэш-памяти, размеров имеющихся нижней и дополнительной памяти, установку плат расширения; настройку⁷ BIOS и других программных средств, монитора и других аппаратных средств; изменение тактовой частоты, установку пароля на доступ к программе настройки или непосредственно к компьютеру и другие виды работ.

Изготовитель ПК не может установить неизвестную конфигурацию на выпускаемом ПК, так как возможна работа конкретного ПК с разными операционными системами, использовать разные виды памяти с набором характеристик, может появиться потребность в изменении тактовой частоты, емкости памяти, в установке или изменении пароля и т.д. Иногда приходится менять конфигурацию ПК много раз для работы с прикладными программами у которых различные требования к памяти.

Надо знать с помощью каких средств устанавливается конфигурация и где хранится установка конфигурации.

Конфигурацию устанавливают с помощью DIP-переключателей, перемычек (джамперов) или специальных программ, например, BIOS-Setup. Хранение информации о конфигурации обеспечивает специальная память RAM-CMOS с питанием от батареи.

В настройке ПК важную роль играют файлы CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT. Например, при управлении памятью вручную необходимо эффективно распределить память на конкретном ПК с помощью создания полезных файлов CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT (возможно целый их набор) и загрузить правильно подобранные служебные программы. Администратор памяти (EMM 386.EXE, HIMES.SYS) загружают в начало файла CONFIG.SYS с помощью команды DEVICE. Необходимо хорошо освоить правила создания данных файлов и помнить, что эта работа очень ответственная. Меняя содержимое файлов CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT, можно вызвать проблемы с запуском отдельных программ, с работой аппаратуры. Столь же опасна и непродуманная установка параметров жесткого диска. Неправильно введенные

21

параметры установленного НЖМД могут привести к проблемам с пуском ПК. В описанных сложных ситуациях при конфигурировании ПК может помочь аварийная загрузочная дискета. Надо знать как своевременно создать аварийную загрузочную дискету.

Существенное облегчение процесса конфигурирования и управления памятью обеспечивают системы автоматического конфигурирования, а также автоматическое и полуавтоматическое управление памятью.

Благодаря автоматической конфигурации все неприятные заботы, связанные с "установкой перемычек" и конфликтами прерываний отходят в прошлое. Автоматическая конфигурация использует стандарт "Plug & Plax" - "подключай и работай" на самонастраивающихся платах. Чтобы работал стандарт "Plug & Plax" необходимо, чтобы внешние устройства (мышь, клавиатура, принтер, монитор) сообщали ПК информацию об используемых прерываниях, адресах ввода - вывода, а также о том, по каким каналам ее следует передавать. В Windows 95, Windows for Workgroups, Windows NT производиться при установке (загрузке) подробный опрос аппаратных средств, опознается сетевая плата, определяются остальные платы и их конфигурации, т.е. точные номера прерывания и адрес ввода - вывода. В Windows 95 основным органом управления всеми компонентами аппаратных средств является диспетчер устройств (Device - Manager).

Полуавтоматическое управление памятью имеет место, когда с помощью одной программы можно управлять памятью для удовлетворения нужд нескольких программ. Например, использование программы-администратора переключения задач (программ) Word Perfect Office позволяет, если имеется большой объем расширенной и дополнительной памяти загружать обычные программы для DOS почти вовсю память.

Автоматическое управление памятью осуществляется с помощью соответствующей операционной среды и загрузки программ-администраторов памяти.

Необходимо познакомиться с возможностью ОС и режимами управления памятью (реальный, защищенный, стандартный...) по использованию патуавтоматического и автоматического управления памятью.

22

Вопросы для самопроверки

Какие задачи решает конфигурирование ПК?
Какие средства и на каких ПК используются для конфигури
рования ПК?
В чем заключается настройка аппаратуры ПК?
В чем заключается настройка ПО?
Какую информацию хранит CMOS-Setup?
Какую роль в настройке ПК играют файлы CONFIG.SYS и
AUTOEXEC.BAT ?
Какими возможностями обладает автоматическая конфи
гурация?
Как осуществляется полуавтоматическое управление памятью?

2.7.ШФОРМАЩОННО-ВЬГЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ

Составляющие информационно-вычислительных систем. Роль информационно-вычислительных систем в разработке автоматизированных систем управления для организации перевозок, фирменного транспортного обслуживания клиентов , эксплуатации инфраструктуры транспорта ( хозяйств локомотивного; вагонного; пути и сооружений; автоматики и телемеханики - СЦБ, электрификации и энергоснабжения и др.), финансовой деятельности и материально-техническим снабжением и т.д. Инфраструктура информатизации. Технические средства и программное обеспечение. Системы обработки данных (СОД). Технические средства и программное обеспечение сетей передачи данных (СПД). Локальные и глобальные вычислительные сети информатизации отрасли.

[2;3;4;11].

Методы чески е указан ия

Первые электронно-вычислительные машины (ЭВМ) были созданы в 1951-1952гг. для научно-исследовательских работ, научно-технических расчётов. Центры, объединяющие несколько ЭВМ, именовались ВЦ.

23

Постепенно увеличивалось не только количество задач, решаемых на ЭВМ , но и областей деятельности. ЭВМ превратились в машины широкого применения, предназначенные не только для решения задач научно-технических расчётов, но и для задач планово-экономических, информационно-справочных, учёта, статистики и т.д. Стали преобладать задачи информационно-справочные и информационно-управляющие.

Потребность в информационно-вычислительных системах (ИВС) диктовалась тем, что эффективная организация обмена информации , как условие успешной практической деятельности людей, стала жизненно - необходима.

В настоящее время для внедрения информатизации в отрасли создаются информационная среда, информационные технологии и инфраструктура информации. При изучении данного курса следует особое внимание уделить инфраструктуре информатизации.

Под инфраструктурой информатизации подразумевают совокупность технических и программных средств, обеспечивающих получение , хранение, передачу и представление информации.

Инфраструктура информатизации имеет иерархическое построение, использует на каждом уровне различные технические средства в зависимости от объёма информации, решаемых задач и внешних связей.

В отрасли функционируют Главный Вычислительный Центр (ГВЦ МПС) и дорожные информационно-вычислительные центры (ИВЦ). В качестве основных вычислительных средств на ГВЦ и ИВЦ используют ЭВМ класса Main Frame фирмы IBM с архитектурой S/ 390 и машины фирмы HITACHI.

В линейных подразделениях и отделениях дорог предполагают использовать ПЭВМ , соединённые в локальные вычислительные сети (ЛВС).

Для нормальной работы информационных систем необходимо не только система обработки данных (формализованной информации) (СОД), но и сети передачи данных (СПД) с различной аппаратурой (концетраторы, мосты, шлюзы, мультиплексоры, модемы и т.д.).

Относительно программного обеспечения (ПО) инфраструктуры информатизации отрасли следует отметить большое разнооб-

24

разие программных продуктов от стандартного ПО для ПЭВМ до специализированных для Main Frame, например, OS/390, MVS, TKS, и специально разрабатываемых СУБД, хранилищ данных.

При разработке СУБД для ГВЦ и ИВЦ используют средства SAS Institute, Oracle фирмы Thinking Machine , "Системы R/3 " фирмы SAP, CASE- технологии и другие средства разработки ПО.

Необходимо познакомиться с основными инструментальными средствами разработки ПО.

Разрабатываются и внедряются единые отраслевые системы баз данных, например, "Система баз данных по управлению инфраструктурой железнодорожного транспорта." , база данных для системы "ЭКСПРЕСС" и т.д.

Разрабатываются комплексы программ по внедрению автома-. тизированных решений следующих задач:

управление грузовыми и пассажирскими перевозками (АСО-
УП, Экспресс, АСУГП);
сбор и обработка информации (ЕК ИОДВ, ИОММ и др.);
система управление вагонным парком (ДИСПАРК);
контроль и управление оперативной работой дорог (ДИСКОР);
фирменного транспортного обслуживания (АКС ФТО) и
многих других.

Всё изложенное имеет прямое отношение к "Организации ЭВМ и систем" и изучается не только в данном курсе , но и в других дисциплинах в соответствии с учебным планом по специальности.

Вопросы для самопроверки

Дайте определение информационной системы, информа
тизации.
Какое техническое обеспечение необходимо для информаци
онных систем?
Какое программное обеспечение необходимо для реализации
автоматизированных информационных систем?
Как организовано взаимодействие отдельных ПЭВМ в ли
нейном подразделении?
Как осуществляется сбор и передача необходимых данных в
управлении перевозками, в управлении хозяйствами инфраструк
туры железнодорожного транспорта?

25

2.8. АВТОМАТИЗАЦИЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭВМ И СИСТЕМ

Система автоматизированного проектирования - САПР. Техническое, математическое, программное, информационное, лингвистическое, методическое обеспечение САПР. Математические модели. Схемотехническое проектирование, диалоговый характер взаимодействия между ЭВМ и проектировщиком.

[32; 33; 34; 35].

Методические указания

ЭВМ - сложная система, построенная на не менее сложных элементах. Проектирование столь сложных систем практически невозможно без автоматизации. САПР - является организационно-технической системой, в состав которой входит комплекс средств автоматизации процесса в виде методического, математического, программного, информационного, технического и организационного обеспечения.

Основная функция САПР - выполнение автоматизированного на базе ЭВМ проектирования.

Особое внимание в САПР уделяется вопросу разумного оперативного сочетания возможностей человека и ЭВМ, с которой он обычно взаимодействует в активном диалоговом режиме обмена информацией и выполнением проектных процедур.

Проектирование ЭВМ или микросхем (МС) состоит из нескольких этапов (или видов), а именно: архитектурно-структурный, функционально-логический, схемотехнический, конструкторско-техно-логический.

При проектировании выполняются проектные процедуры на ЭВМ, к которым относятся расчет, синтез, анализ, моделирование, оптимизация.

Пользователь САПР нуждается в широком наборе технических и программных средств для выполнения проектных процедур, оперативного и долговременного документирования и корректировки текстовой и графической информации. Совокупность этих средств реализуется в виде автоматизированных рабочих мест (АРМ). АРМ объединяются в локальные вычислительные сети, обеспечивая сквозное проектирование ЭВМ.

26

В изучаемой дисциплине следует особое внимание обратить на схемотехнический этап проектирования и связанный с ним процесс моделирования.

При использовании САПР сначала осуществляется схемотехническое проектирование, в процессе которого анализируется техническое задание на систему в целом, разрабатывается общая функциональная схема и определяются узлы системы. Затем выполняют схемотехническое проектирование отдельных блоков с моделированием их работы для проверки работоспособности их и разрабатывают принципиальные схемы. По принципиальным схемам и их описаниям разрабатывают конструкторскую и технологическую документацию.

Для выполнения схемотехнического этапа проектирования с моделированием используют различные интегрированные пакеты программ. К наиболее популярным пакетам, которые нашли широкое применение, относятся P-CAD, P-Spice, DESIGN CENTER.

Вопросы для самопроверки

Из каких составных частей состоит САПР?
Какую роль выполняет математическое моделирование при
этапе схемотехнического проектирования?
Чем отличается моделирование от макетирования?
Опишите проектные процедуры, применяемые при схемо
техническом проектировании.
Какая область применения пакета P-CAD?
Какие возможности у пакета P-Spice?
Как взаимодействуют пакеты P-CAD и P-Spice?
Какие особенности пакета DESIGN CENTER?

3. ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Изучение характеристик, состав и назначение основных про
грамм P-CAD.
Синтез схем устройств ЭВМ с использованием программ
P-CAD.
Моделирование схем устройств с помощью программ P-CAD.

Изучение характеристик, состав и назначение основных про
грамм DESIGN CENTER.
Синтез схем устройств ЭВМ с использованием программ
DESIGN CENTER.

6. Моделирование схем устройств с помощью программ
DESIGN CENTER.

4. ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. Перечень обязательной литературы

Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. Питер , 2007.
Таненбаум Э. Архитектура компьютера. Питер, 2003.

3. Хамакер К., Вранешич З. , Заки С. Организация ЭВМ. Питер, 2003.

4.2. Перечень рекомендуемой литературы

4.Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. -
М.: Энергоатомиздат, 1991. - 592 с.

4.Ефремов и др. Вычислительные машины и системы. - М.:
Высшая школа. 1993.

5..Ларионов A.M.. Майоров С. А., Новиков ПИ. Вычислительные комплексы, системы и сети. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 286 с.

6.. Вычислительные машины, системы и сети / Под ред. А.П. Пяти-братова. - М.: Финансы и статистика, 1991. - 398 с.

7.Быков Е. А. Архитектура и интерфейсы персональных компьютеров. - М.: Центр СКС. 1993.

8.В е б е р Р. Конфигурирование ПК на процессорах 386/486. - М.:
Мир. 1996.- 190 с.

9.В е б е р Р. Конфигурирование ПК на процессорах Pentium. - М.:
Мир. 1996.-256 с.

10В е б е р Р. Конфигурирование ПК на процессорах Pentium, MMX,
AMD. - М.: Мир, 1998. - 416 с.

11.Г у д м е н Джон М. Управление памятью для всех. - Киев: Диа
лектика, 1995. - 521 с.

12. Хорошевский В.Г. Инженерный анализ функционирования
вычислительных машин и систем. - М.: Радио и связь, 1987. - 255 с.

13.П.Лецкий ЭК. Информационные технологии на железнодорожном транспорте. - М.: УМК МПС России. 2000. - 676 с.

14. А й д е н К.. Ф и б е л ь м а н X., К р а м е р М. Архитектурные средства PC. - СПб.: OBNV, 1997. - 544 с.

Автоматизация схемотехнического проектирования / Под ред.
В.Н. Ильина. - М.: Радио и связь, 1987.
Р а з е в и г В. Д. Применение программ P-CAD и P-Spice для схе
мотехнического моделирования на ПЭВМ. - М.: Радио и связь, 1992. -
вып. 1,2,3,4.

Blog

Рабочая программа и задание на курсовую работу с методическими указаниями для студентов IV курса специальности Москва 2007

Содержание