ВВЕДЕНИЕ.
§1 Концепция расширенной машины.
Под машиной будем подразумевать компьютер, те средство сбора, переработки, хранения и предоставления информации.
Компоненты компьютерной системы:
1) АППАРАТУРА
2) ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ (далее ПО) (расширение Аппаратуры позволяющее работу с ней без знания ее устройств)
Аппаратура и Программное обеспечение вместе составляют РАСШИРЕННУЮ МАШИНУ (далее РМ).
Программное обеспечение делится на ОПЕРАЦИОННУЮ СИСТЕМУ (далее ОС) и Прикладное ПО (далее ППО).
Концепция Расширенной машины состоит в следующем:
1) Любой уровень РМ можно детализировать.
2) Детализацию проводится до уровня необходимого для понимания сути процессов в нем происходящих.
Аппаратура
Аппаратура состоит из следующих компонентов:
1) ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР - устройство обработки команд (далее ЦПУ).
2) ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ – место хранения информации, обрабатываемой ЦПУ.
RAM (Random Access Memory)
ROM (Read Only Memory).
5) УСТРОЙСТВА ВВОДА / ВЫВОДА (внешние носители информации) (Input / Output Unit) (далее I/OU или УВВ).
ШИНЫИ КОТРОЛЛЕРЫI/O
7) Шины – коммуникации между устройствами
8) Контроллеры I/O – процессоры малой мощности, ориентированные на работу I/OU (разгружают ЦПУ).
Программное обеспечение.
· ОС - набор
УПРАВЛЯЮЩИХ программ – набор команд и данных для управления ресурсами КС с целью повышения ее производительности.
СЕРВИСНЫХ программ – набор программ для сокращения усилий пользователя по написанию, отладки и эксплуатации ПО. (Обычно от ППО их отличает то, что они поставляются с дистрибутивами ОС, хотя есть ППО также поставляемое производителем ОС совместно с ней.)
Ресурсы делятся на Аппаратные (время ЦПУ, Память, Устройства I/O) и информационные (данные, доступные ОС, использующиеся программами…)
Управляющие программы отвечают за распределение ресурсов между выполняющимися в ОС (многозадачных, например Windows, OS/2...) программами.
Например несколько программ требуют доступ к звуковой карте, но только активная его получает…
· ППО – утилиты и программы используемые пользователем при работе с КС, не входящие в состав ОС (Например для WINDOWS 2K Internet Explorer является сервисной программой, а Winamp - ППО тк не входит в дистрибутив ОС...)
Разделяя ОС на две части нужно сказать о ВНУТРЕННЕЙ и ВНЕШНЕЙ РМ.
В состав Внутренней РМ входят аппаратура и управляющие программы. Внешняя же РМ включает в себя также сервисные программы (те всю ОС).
Внутренняя РМ представляет собой минимальную конфигурацию машины, на которой могут выполняться программы. Таким образом, не всякому ППО требуются сервисные программы.
В КС по концепции РМ возможно взаимодействие только соседних уровней, те каждые два соседних уровня взаимодействуют между собой посредством интерфейсных средств (уникальных для этих 2 уровней). То есть верхний уровень не нужен для эксплуатации нижнего уровня. (Такой же подход используется в модульном программировании (Сокрытие информации), когда при взаимодействии между программа не знает по какому механизму обрабатываются данные).
Интерфейсы:
· Физический – взаимодействие ОС с аппаратурой на уровне ее физических устройств
· Логический (машинно-независимый) – взаимодействие сервисных программ управляющих (на уровне логических связей).
Задание – либо команда, либо пакет команд, состоит из интерфейсного взаимодействия с КС.
ЦПУ
ЦПУ выполняет арифметические, логические и управляющие операции, обрабатывая только ту информацию, которая находится в его регистрах.
Регистры – устройство процессора, для хранения информации учавствующей в обработке:
· Регистры общего назначения (РОН) – для работы с целыми числами.
· Регистры для чисел с плавающей точкой (РПТ)
В КС единицей информации является бит. Бит может принимать значения 0 или 1.
Регистр ЦПУ состоит из нескольких бит, и их количество определяет архитектуру процессора:
· Если РОН рассматривается, как 16 бит, то говорят о 16-ти битовой архитектуре (разрядности) процессора.
· Если РОН рассматривается, как 32 бит, то говорят о 32-ти битовой архитектуре (разрядности) процессора.
Бывают и другие архитектуры в том числе 64-х битовые. А можно использовать часть регистра и моделировать другую разрядность.
Процессор обрабатывает только информацию, содержащуюся в его регистрах, те для того, чтобы обработать хранящуюся у него в оперативной памяти информацию, ее необходимо сначала перенести в регистры, и затем после обработки опять поместить в оперативную память.
Современные машины снабжены так называемой КЭШ-памятью. КЭШ-память имеет структуру регистра, принадлежит процессору, и предназначена для хранения «сверхоперативной информации», те информации, наиболее часто передаваемой на обработку процессору (например, Группы пользователей данного компьютера в ОС WINDOWS). Перенос из КЭШ-памяти в регистр много быстрее, чем перенос из оперативной памяти.
1.4 Основная память
RAM + ROM
В памяти машины вся информация представлена, как набор битов(bit). Наименьшей единицей адресуемой информации в программе является байт(Byte), содержащий 8 бит. Двоичное слово (в зависимости от разрядности машины имеющее длину 2b (16bit), 4b (32bit), 8b (64bit) и т.д.) начинается с четного, кратного длине слова байта (нумерация ведется от 0). На примере 32-разрядной машины некоторые существующие единицы информации:
Слово 4 байта
Полуслово 2 байта
Двойное слово 8 байт
Параграф 16 байт
Страница 512 байт
Килобайт 1024 байт
Мегабайт 1024 Кбайт
Физический сегмент адресуемой памяти равен 64Kb.
Память компьютера делится на 2 части. Правая часть отводится по ОС, ядро ОС или системную память, а вторая является динамической областью, предназначенная для размещения в памяти программ под управлением ОС. Различия между этими областями в том, что к первому пользователь не имеет прав обращаться или они не задокументированны, а ко второй свободно может обращаться.
Устройства ввода / вывода (УВВ или I/OU)
УВВ относятся к устройствам периферии и предназначены для ввода/вывода информации в оперативную память и для хранения оперативной информации. Существует много УВВ, грубо они делятся на два класса:
· Медленные – байт-ориентированные: работают с небольшим количеством информации (порядка одного дв. слова); блок-ориентированные: для значительных объектов.
· Быстрые – например, магнитный диск. (Существуют еще три устройства со сравнимой скоростью и той же логической организацией, отличающиеся физическим строением.)
Магнитный диск (МД)
МД устроен как пакет круглых, посаженных на общую несущую ось. Поверхности пластин покрыты магнитным слоем. Информация хранится на дорожках (в виде концентрических окружностей). Каждая такая окружность является дорожкой. Для считывания и записи существуют устройства (гребенки) со считывающими и записывающими головками. Начала всех (записей) дорожек лежит на одном луче и помечены магнитным маркером. Емкость дорожек одинакова, различается плотность записи. Дорожки разбиваются на блоки (сектора в х86 машинах). Каждый блок имеет одинаковую длину. Существует межблоковое пространство, для технических нужд…(особо хитрый пользователь может выгодно его использовать, например для сокрытия информации от менее хитрого пользователя, т.к. размещенная на междисковом пространстве информация недоступна из ОС). Длина блока подфирается для оптимального баланса между количеством участков между блоками (для блоков малой длины) и временем обработки (для блоков большой длины).
Все дорожки разматываются от центра на разных уровнях, так к ним можно обращаться без перемещения головки по цилиндру. Блок – элемент физической памяти. Физический адрес блока – номер цилиндра (CYL) (сколько дорожек на одной поверхности, столько и цилиндров), номер дорожки (TRK) (столько, сколько магнитных поверхностей) и номер блока (BLK).
Для работы с диском необходимо наличие на нем разметки, т.е. на нем должна быть создана файловая система.
Физически диск не зависит от ОС, так же как и разметка диска. Любая файловая структура имеет три основных элемента:
· Метка тома (том – вся файловая система, метка идентифицирует носители ОС)
· Оглавление (содержит информацию о всех данных на этом носителе и о свободном месте)
· Содержание (туда записываются данные)
С устройствами – хранителями пользователь работает на логическом уровне.
Контроллеры и Шины
Шины – коммуникации между внешними устройствами, на которые подаются данные. Есть шина данных (для передачи данных) и управляющей информации.
Архитектура процессора определяется не только длиной слова, но еще и шириной (размерностью) шины. (И их соотношением - сколько бит шина перекачивает за раз.)
Если говорить о 32-х битовой архитектуре процессора, он имеет 52 бита; из них шине принадлежат 32 разряда.
Контроллеры – процессоры малой мощности, выполняющие команды ввода/вывода. Различаются на программируемые и непрограммируемые(с зашитой программой). Чем «интеллектуальнее» контроллер, тем больше свободы дается процессору.