4.2 Понятие и принцип работы вычислительной системы

Совокупность аппаратных и программных средств вычислительной техники называется вычислительной системой (ВС). Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники рассматривают отдельно, в связи с этим различают аппаратную и программную конфигурацию. Такой принцип разделения обусловлен тем, что часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться или аппаратными или программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность.

1) Аппаратное обеспечение (hardware) ВС включает устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию.

По способу расположения относительно центрального процессора CPU различают внутренние и внешние устройства.

Внутренние устройства - системная (материнскую) плата; процессор; видеоконтроллер; звуковая карта и т.д.

Внешними являются большинство устройств ввода-вывода данных (периферийные устройства), а также устройства для длительного хранения данных. Устройства, связанные с процессором через шину, а не напрямую, называют периферийными.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняется с помощью аппаратно-логических устройств – аппаратных интерфейсов.

Интерфейс – это стандарт присоединения компонентов к системе. В качестве компонента выступает отдельный узел (устройство), выполняющий определенную функцию в составе системы.

Стандарты на аппаратные устройства называются протоколами.

Протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть соблюдены разработчиками для успешного согласования устройств между собой.

Интерфейсы в архитектуре ВС условно делят на две группы–последовательные и параллельные.

Последовательный (асинхронный) интерфейс характеризуется тем, что данные через него передаются последовательно, бит за битом. В связи с этим последовательные интерфейсы характеризуются низкой пропускной способностью (на один байт полезных данных приходится 1-3 служебных бита). Последовательные интерфейсы применяют для подключения «медленных» устройств (печати, ввода-вывода и т. п.).

При использовании параллельного интерфейса передача данных происходит группами битов. Количество битов, передаваемых в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса. Например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл. Параллельные интерфейсы более сложны, но обеспечивают большую производительность по сравнению с последовательными интерфейсами. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с, Мбайт/с). Параллельные интерфейсы применяют в случаях, когда необходимы высокие скорости передачи данных (устройства ввода графической информации, устройства записи данных на внешние носители).

2) Программное обеспечение (software) ВС имеет целью управление аппаратными средствами. Программное и аппаратное обеспечение находятся в непрерывном взаимодействии.

Состав программного обеспечения ВС называется программной конфигурацией. Между программами существует взаимосвязь. Возможность взаимодействия программ обусловлена техническими условиями и протоколами взаимодействия, при этом программное обеспечение распределяется по взаимодействующим между собой уровням.

Уровни программного обеспечения представляют собой пирамиду, в которой каждый следующий уровень опирается на предшествующие ему уровни.

Иерархия ПО приведена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Структура ПО

1) Базовый уровень является самым низким уровнем программного обеспечения и отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Программные средства этого уровня хранятся в специальных микросхемах – постоянных запоминающих устройствах ПЗУ. Базовая система Ввода/вывода BIOS содержит:

- драйверы стандартных внешних устройств (клавиатура, монитор);

- программа начальной загрузки;

- тестовые программы для контроля работоспособности оборудования.

2) Системный уровень – переходный. Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие прочих программ с программами базового уровня и аппаратным обеспечением. Программное обеспечение системного уровня обуславливает эксплуатационные показатели ВС.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы.

Операционная система – программа, обеспечивающая управление аппаратными средствами.

Кроме этого, системный уровень содержит программы для обеспечения взаимодействия аппаратных ресурсов (драйверы устройств) и средства ввода и управления ВС (средства обеспечения пользовательского интерфейса). Пользовательский интерфейс – средства взаимодействия пользователя с программами и аппаратным обеспечением.

3) Служебный уровень предназначен для автоматизации работ по проверке, отладке и настройке компьютерной системы. Программное обеспечение служебного уровня (утилиты) также используется для улучшения или расширения функций системных программ. Программы этого уровня взаимодействуют как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Некоторые служебные программы (программы обслуживания) сразу входят в состав операционной системы, дополняя ее ядро, но большинство являются внешними программами и расширяют функции операционной системы.

4) Прикладной уровень представляет собой комплекс программ, предназначенных для решения производственных, творческих или развлекательно-обучающих задач.

Прикладной уровень.

Между прикладным и системным программным обеспечением существует тесная взаимосвязь. Универсальность вычислительной системы, доступность прикладных программ и широта функциональных возможностей компьютера непосредственно зависят от типа имеющейся операционной системы, системных средств, помещенных в ее ядро и взаимодействии комплекса человек-программа-оборудование.

Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств ВС целесообразно рассматривать информационное обеспечение.

Под информационным обеспечением понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных для их работы. Например, для автоматической проверки орфографии в тексте выполняются операции сравнения лексических единиц исходного текста с эталонным массивом (словарем).