СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ВВЕДЕНИЕ В КОМПЬЮТЕРНЫЕ И ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 7

1.1 Структура компьютерной системы 7

1.2 Программное обеспечение компьютерной системы 7

1.3 Аппаратное обеспечение компьютерной системы 11

1.4 Основные функции и архитектурные особенности ОС 13

1.5 Классификация ОС 17

1.6 Контрольные вопросы 18

2 АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ 19

2.1 Классификация архитектур по параллельной обработке данных 19

2.2 SMP-архитектура 21

2.3 MPP-архитектура 22

2.4 Гибридная архитектура NUMA 24

2.5 PVP-архитектура 25

2.6 Кластерная архитектура 26

2.7 Проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе 28

2.8 Контрольные вопросы 31

3 СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ. АССОЦИАТИВНЫЕ КОНВЕЙЕРНЫЕ И МАТРИЧНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ 32

3.1 Ассоциативные процессоры 32

3.2 Конвейерные процессоры 33

3.3 Матричные процессоры 34

3.4 Контрольные вопросы 36

4 СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ. НОВЫЕ АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ 37

4.1 Клеточные и ДНК-процессоры. 37

4.2 Коммуникационные процессоры 40

4.3 Процессоры баз данных 42

4.4 Потоковые процессоры 43

4.5 Нейронные процессоры 44

4.6 Процессоры с многозначной (нечеткой) логикой 47

4.7 Контрольные вопросы 50

5 УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ. СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ И ОПЕРАЦИИ НАД ПРОЦЕССАМИ 51

5.1 Введение в процессы 51

5.2 Состояния процесса 52

5.3 Операции над процессами и связанные с ними понятия 54

5.4 Контрольные вопросы 62

6 УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ. КООПЕРАЦИЯ ПРОЦЕССОВ И ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ЕЕ ЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ 64

6.1 Введение в кооперацию процессов 64

6.2 Взаимодействующие процессы 65

6.3 Категории средств обмена информацией 66

6.4 Логическая организация механизма передачи информации 67

6.5 Потоки исполнения 71

6.6 Контрольные вопросы 72

7 УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ. АЛГОРИТМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ 73

7.1 Чередования, условия состязания и взаимоисключения 73

7.2 Критическая секция 74

7.3 Алгоритмы взаимоисключений 75

7.4 Аппаратная поддержка взаимоисключений 78

7.5 Недостатки алгоритмов взаимоисключений 80

7.6 Семафоры 80

7.7 Мониторы 82

7.8 Сообщения 84

7.9 Эквивалентность семафоров, мониторов и сообщений 85

7.10 Контрольные вопросы 85

8 УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ. ТУПИКИ 86

8.1 Введение в тупики 86

8.2 Концепция ресурса 88

8.3 Условия возникновения тупиков 88

8.4 Основные направления борьбы с тупиками 89

8.5 Алгоритм страуса 89

8.6 Обнаружение тупиков 89

8.7 Восстановление после тупиков 90

8.8 Способы предотвращения тупиков путем тщательного распределения ресурсов 91

8.9 Предотвращение тупиков за счет нарушения условий возникновения тупиков 92

8.10 Проблемы аналогичные тупикам 94

8.11 Контрольные вопросы 95

9 УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ. ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПАМЯТЬЮ 96

9.1 Введение в управление памятью 96

9.2 Связывание адресов 98

9.3 Простейшие схемы управления памятью 99

9.4 Контрольные вопросы 104

10 УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ. АРХИТЕКТУРНЫЕ СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ ВИРТУАЛЬНОЙ ПАМЯТИ 105

10.1 Проблема размещения больших программ. Понятие виртуальной памяти 105

10.2 Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти 106

10.3 Способы организации виртуальной памяти 107

10.4 Таблица страниц 111

10.5 Ассоциативная память 114

10.6 Иерархия памяти 115

10.7 Размер страницы 116

10.8 Контрольные вопросы 116

11 УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ. АППАРАТНО-НЕЗАВИСИМЫЙ УРОВЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ ПАМЯТЬЮ 117

11.1 Введение в аппаратно-независимый уровень управления виртуальной памятью 117

11.2 Исключительные ситуации при работе с памятью 118

11.3 Стратегии управления страничной памятью 118

11.4 Алгоритмы замещения страниц 119

11.5 Thrashing. Свойство локальности. Модель рабочего множества 123

11.6 Демоны пейджинга 127

11.7 Аппаратно-независимая модель памяти процесса 128

11.8 Отдельные аспекты функционирования менеджера памяти 129

11.9 Контрольные вопросы 131

12 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВВОДА-ВЫВОДА 132

12.1 Введение в систему управления вводом-выводом 132

12.2 Введение в физические принципы организации ввода-вывода 133

12.3 Общие сведения об архитектуре компьютера 133

12.4 Структура контроллера устройства 136

12.5 Опрос устройств 137

12.6 Прерывания 138

12.7 Прямой доступ к памяти 140

12.8 Контрольные вопросы 141

13 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ. ЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВВОДА-ВЫВОДА 143

13.1 Введение в логические принципы организации ввода-вывода 143

13.2 Структура системы ввода-вывода 143

13.3 Систематизация внешних устройств и интерфейс между базовой подсистемой ввода-вывода и драйверами 145

13.4 Функции базовой подсистемы ввода-вывода 146

13.5 Блокирующиеся, не блокирующиеся и асинхронные системные вызовы 147

13.6 Буферизация и кэширование 148

13.7 Spooling и захват устройств 149

13.8 Обработка прерываний и ошибок 150

13.9 Планирование запросов 151

13.10 Алгоритмы планирования запросов к жесткому диску 151

13.11 Алгоритм FCFS 152

13.12 Алгоритм SSTF 153

13.13 Алгоритмы сканирования (SCAN, C-SCAN, LOOK, C-LOOK) 153

13.14 Контрольные вопросы 154

14 ИНТЕРФЕЙСЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ 155

14.1 Классификация интерфейсов 155

14.2 Интерфейс RS-232 для порта СОМ 156

14.3 Интерфейс IEEE 1284 для порта LPT 156

14.4 Интерфейс PS/2 157

14.5 Интерфейс USB 157

14.6 Интерфейс Firewire 160

14.7 Контрольные вопросы 163

15 МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ 164

15.1 Достоинства многопроцессорных систем 164

15.2 Организация многопроцессорной аппаратуры 164

15.3 Организация многопроцессорных операционных систем 167

15.4 Контрольные вопросы 169

16 ТРЕБОВАНИЯ К КОМПЬЮТЕРНЫМ СИСТЕМАМ 170

16.1 Основные требования к компьютерным системам 170

16.2 Отношение "стоимость/производительность" 170

16.3 Надежность и отказоустойчивость компьютерных систем 172

16.4 Показатели надежности компьютерных систем 175

16.5 Масштабируемость 177

16.6 Совместимость и мобильность программного обеспечения 178

16.7 Контрольные вопросы 179

17 ПРОГРАММЫ ДИАГНОСТИКИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ 180

17.1 Программа диагностики POST 180

17.2 Программа диагностики WatchDog 181

17.3 Контрольные вопросы 182

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 183

Введение

Назначение учебника «Компьютерные системы» - дать представление о том, какие существуют структуры параллельных и распределенных компьютерных систем, как в них осуществляется управление процессами, памятью и вводом-выводом, какие для них существуют методы надежности, контроля, эксплуатации и диагностики.

Основными темами учебника являются:

1) Архитектура компьютерных систем и способы организации высокопроизводительных процессоров.

2) Управление процессами.

3) Управление памятью.

4) Управления вводом-выводом.

5) Интерфейсы компьютерных систем.

6) Многопроцессорные системы.

7) Требования к компьютерным системам и программы их диагностики

Первая тема содержит следующие лекции: «Введение в компьютерные и операционные системы», «Архитектура компьютерных систем», «Ассоциативные, конвейерные и матричные процессоры», «Новые архитектуры процессоров».

Вторая тема содержит следующие лекции: «Состояние процессов и операции над процессами», «Кооперация процессов и основные аспекты ее логической организации», «Алгоритмы синхронизации», «Тупики».

Третья тема содержит следующие лекции: «Простейшие схемы управления памятью», «Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти», «Аппаратно-независимый уровень управления виртуальной памятью».

Четвертая тема содержит следующие лекции: «Физические принципы организации ввода-вывода», «Логические принципы организации ввода-вывода».

Пятая тема содержит следующую лекцию: «Интерфейсы компьютерных систем».

Шестая тема содержит следующие лекции: «Многопроцессорные системы».

Седьмая тема содержит следующие лекции: «Требования к компьютерным системам», «Программы диагностики компьютерных систем».

Методологически материал состоит из тезиса - основного содержания лекции, изложения основного материала, вопросы для контрольной проверки знаний.

Первая лекция «Введение в вычислительные и операционные системы»: структура вычислительной системы, программное обеспечение ЭВМ, аппаратное обеспечение ЭВМ, основные функции и архитектурные особенности ОС, классификация ОС.

Вторая лекция «Архитектура компьютерных систем»: классификация архитектур по параллельной обработке данных, SMP-архитектура, MPP-архитектура, гибридная архитектура NUMA, PVP-архитектура, кластерная архитектура, проблемы выполнения сети связи процессоров в кластерной системе.

Третья лекция «Ассоциативные, конвейерные и матричные процессоры»: ассоциативные процессоры, конвейерные процессоры, матричные процессоры.

Четвертая лекция «Новые архитектуры процессоров»: клеточные и ДНК-процессоры, Коммуникационные процессоры, процессоры баз данных, потоковые процессоры, нейронные процессоры, процессоры с многозначной (нечеткой) логикой.

Пятая лекция «Состояние процессов и операции над процессами»: введение в процессы, состояния процесса, операции над процессами и связанные с ними понятия.

Шестая лекция «Кооперация процессов и основные аспекты ее логической организации»: введение в кооперацию процессов, взаимодействующие процессы, категории средств обмена информацией, логическая организация механизма передачи информации, потоки исполнения.

Седьмая лекция «Алгоритмы синхронизации»: чередования, условия состязания и взаимоисключения, критическая секция, алгоритмы взаимоисключений, аппаратная поддержка взаимоисключений, недостатки алгоритмов взаимоисключений, семафоры, мониторы, сообщения, эквивалентность семафоров, мониторов и сообщений.

Восьмая лекция «Тупики»: введение в тупики, концепция ресурса, условия возникновения тупиков, основные направления борьбы с тупиками, алгоритм страуса, обнаружение тупиков, восстановление после тупиков, способы предотвращения тупиков путем тщательного распределения ресурсов, предотвращение тупиков за счет нарушения условий возникновения тупиков, проблемы аналогичные тупикам.

Девятая лекция «Простейшие схемы управления памятью»: введение в управление памятью, связывание адресов, простейшие схемы управления памятью.

Десятая лекция «Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти»: проблема размещения больших программ, понятие виртуальной памяти, архитектурные средства поддержки виртуальной памяти.

Одиннадцатая лекция «Аппаратно-независимый уровень управления виртуальной памятью»: введение в аппаратно-независимый уровень управления виртуальной памятью, исключительные ситуации при работе с памятью, стратегии управления страничной памятью, алгоритмы замещения страниц, thrashing, свойство локальности, модель рабочего множества, демоны пейджинга, аппаратно-независимая модель памяти процесса, отдельные аспекты функционирования менеджера памяти.

Двенадцатая лекция «Физические принципы организации ввода-вывода»: введение в систему управления вводом-выводом, введение в физические принципы организации ввода-вывода, общие сведения об архитектуре компьютера, структура контроллера устройства, опрос устройств и прерывания, исключительные ситуации и системные вызовы, прямой доступ к памяти.

Тринадцатая лекция «Логические принципы организации ввода-вывода»: введение в логические принципы организации ввода-вывода, структура системы ввода-вывода, систематизация внешних устройств и интерфейс между базовой подсистемой ввода-вывода и драйверами, функции базовой подсистемы ввода-вывода, алгоритмы планирования запросов к жесткому диску.

Четырнадцатая лекция «Интерфейсы компьютерных систем»: Классификация интерфейсов, интерфейс для порта СОМ, интерфейс для порта LPT, интерфейс для порта PS/2, интерфейс USB, интерфейс Firewire.

Пятнадцатая лекция «Многопроцессорные системы»: достоинства многопроцессорных систем, организация многопроцессорной аппаратуры, организация многопроцессорных операционных систем.

Шестнадцатая лекция «Требования к компьютерным системам»: основные требования к компьютерным системам, отношение "стоимость/производительность", надежность и отказоустойчивость компьютерных систем, показатели надежности компьютерных систем, масштабируемость, совместимость и мобильность программного обеспечения.

Семнадцатая лекция «Программы диагностики компьютерных систем»: программа диагностики POST, программа диагностики WatchDog.

Данное пособие содержит основной курс лекций и вопросы для контрольной проверки знаний.

Изложение курса логически связано с курсами дисциплин, которые будут читаться в последующем студентам специальности 6.091500 – «Специализированные компьютерные системы».