Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Классификация, состав и свойства вычислительных систем).pdf

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, однако они обеспечивают более высокую производительность, поэтому их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Устройство последовательных интерфейсов проще, как правило, для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройства, поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами. Однако, пропускная способность их меньше и коэффициент полезного действия ниже, т.к. из-за отсутствия синхронизации посылок полезные данные начинаются и завершаются посылками служебных данных, т.е. на один байт полезных данных могут приходиться 1—3 служебных бита (состав и структуру посылки определяет конкретный протокол) [13]. Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с).

Последовательные интерфейсы применяют для подключения «медленных» устройств: простейших устройств печати низкого качества, устройств ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т. п., а также в тех случаях, когда нет существенных ограничений по продолжительности обмена данными (большинство цифровых фотокамер) [5].

Программное обеспечение составляют программы — упорядоченные последовательности команд. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, в любом случае ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера [15, с. 153].

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то, что эти две категории рассматриваются отдельно, между ними существует диалектическая связь, и раздельное их рассмотрение является, по меньшей мере, условным.

Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, т.е. можно говорить о межпрограммном интерфейсе [5]. Возможность существования такого интерфейса также основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней (см. рисунок 2). Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней.

---

Прикладное ПО

Служебное ПО

Системное ПО

Базовое ПО

Рисунок 2 – Уровни программного обеспечения вычислительной системы [13]

Такое разделение удобно на всех этапах работы с вычислительной системой, начиная с установки программ и заканчивая практической эксплуатацией и техническим обслуживанием. Следует обратить внимание на то, что каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы [10, с. 206]. Так, например, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но позволяет установить системное программное обеспечение.

Базовый уровень — самый низкий уровень программного обеспечения, он отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах — постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ— Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ — Erasable and Programmable Read Only Memory, EPROM) [11, с. 143]. В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (флэш-технология), так и отдельно от нее, на специальных устройствах, называемых программаторами.

Системный уровень — переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, т.е. выполняют «посреднические» функции [9, с. 101].

От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, которая обеспечивает для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств — они входят в состав программного обеспечения системного уровня [5].

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им, он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

---

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем [9, с. 118]. То есть наличие ядра ОС — непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

Программное обеспечение служебного уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы [13]. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав ОС, но большинство служебных программ являются для нее внешними и служат для расширения ее функций.

В разработке и эксплуатации служебных программ существует два альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки их взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением [5].

Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих заданий очень разнообразен — от производственных до творческих и развлекательно—обучающих. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для разных видов деятельности.

Между прикладным программным обеспечением и системным существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается на второе). Поэтому можно утверждать, что универсальность ВС, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой ОС, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие триединого комплекса человек — программа — оборудование [4, с. 218].

---

Операционная система занимает особое место в составе программного обеспечения вычислительной системы, представляя собой комплекс взаимосвязанных программ, которые предназначены для управления ресурсами компьютера и организации взаимодействия с пользователем [7, с. 55]. Как уже говорилось ранее, в логической структуре типичной вычислительной системы ОС занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами (драйверами), с одной стороны, и прикладными программами с другой.

Разработчикам программного обеспечения ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций [5]. С 1990-х гг. и по сей день наиболее распространенными операционными системами являются системы семейства Windows, UNIX и UNIX—подобные системы.

Основные функции ОС:

• исполнение запросов программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.) [11, с. 207];
• загрузка программ в оперативную память и их выполнение;
• стандартизированный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода—вывода);
• управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти);
• управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жесткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе [3];
• обеспечение пользовательского интерфейса;
• сохранение информации об ошибках системы.

Дополнительные функции:

• параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность);
• эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами;
• разграничение доступа различных процессов к ресурсам;
• организация надежных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам [5];
• взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация;
• защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений;
• многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа

Многозадачность и распределение полномочий требуют определенной иерархии привилегий компонентов в самой операционной системе. В составе операционной системы различают три группы компонентов:

---

• ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;
• системные библиотеки;
• оболочка с утилитами [13].

Большинство программ, как системных (входящих в ОС), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что система, а точнее, ее ядро управляет оборудованием.

В определении состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать свои компоненты, включая модификацию [6, с. 156]. Поэтому в полный состав ОС включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков).

Типичная структура вычислительной системы включает в себя три основных типа устройств: процессор, память, устройства ввода—вывода (рисунок 3).

:

Рисунок 3 — Структура вычислительной сети [5]

Память включает в себя оперативную память (ОЗУ, RAM – Random Access Memory) и постоянную память (ПЗУ, ROM – Read Only Memory), которая служит для хранения данных и программ. Устройства ввода/вывода (УВВ, I/O – Input/Output Devices) служат для связи микропроцессорной системы с внешними устройствами, для приема (ввода, чтения, Read) входных сигналов и выдачи (вывода, записи, Write) выходных сигналов [5]. Все устройства вычислительной системы объединяются общей системной шиной (системной магистралью или каналом).

Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:

• шина адреса (Address Bus);
• шина данных (Data Bus);
• шина управления (Control Bus);
• шина питания (Power Bus).

Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству, кроме процессора, каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес [4, с. 259]. Когда код какого—то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.

Шина данных – это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы [11, с. 219]. Обычно в пересылке информации участвует процессор, передающий код данных в какое—либо устройство или ячейку памяти, или же принимающий код данных из какого—либо устройства или ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная.

---