Экзоядро[править | править вики-текст]

Основная статья: Экзоядро

Экзоядро — ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами, безопасного выделения и освобождения ресурсов. Предполагается, что API для прикладных программ будут предоставляться внешними по отношению к ядру библиотеками (откуда и название архитектуры).

Возможность доступа к устройствам на уровне контроллеров позволит эффективней решать некоторые задачи, которые плохо вписываются в рамки универсальной ОС, например, реализация СУБД будет иметь доступ к диску на уровне секторов диска, а не файлов и кластеров, что положительно скажется на быстродействии.

Наноядро[править | править вики-текст]

Основная статья: Наноядро

Наноядро — архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний. Примером является KeyKOS — самая первая ОС на наноядре. Первая версия вышла ещё в 1983-м году.

Гибридное ядро[править | править вики-текст]

Основная статья: Гибридное ядро

Гибридные ядра — это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра. Пример: ядра ОС Windows семейства NT.

Микропрограммы

Микропрограмма может означать:

• Встроенное программное обеспечение (прошивка):

  • Компьютерная программа, записанная на интегральной микросхеме ПЗУ и управляющая работой аппаратного обеспечения.

  • Программа, записанная на той же микросхеме, что и процессор, и превращающая его в специализированный для управления аппаратным обеспечением (микроконтроллер).

  • Программа конфигурирования различных ПЛИС (FPGA, CPLD, PAL и т. п.).

• Микрокод:

  • Программа по тактам управляющая ресурсами вычислительного устройства (ALU, сдвигатели, мультиплексоры и др.). Обычно в командном слове выделяются отдельные биты для управления необходимым устройством.

Организация памяти

Главная задача компьютерной системы – выполнять программы. Программы вместе с данными, к которым они имеют доступ, в процессе выполнения должны (по крайней мере частично) находиться в оперативной памяти. Операционной системе приходится решать задачу распределения памяти между пользовательскими процессами и компонентами ОС. Эта деятельность называется управлением памятью. Таким образом, память (storage, memory) является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления. В недавнем прошлом память была самым дорогим ресурсом.

Часть ОС, которая отвечает за управление памятью, называется менеджером памяти.

Физическая организация памяти компьютера

Запоминающие устройства компьютера разделяют, как минимум, на два уровня: основную (главную, оперативную, физическую) и вторичную (внешнюю) память.

Основная память представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес (номер). Процессор извлекает команду из основной памяти, декодирует и выполняет ее. Для выполнения команды могут потребоваться обращения еще к нескольким ячейкам основной памяти. Обычно основная память изготавливается с применением полупроводниковых технологий и теряет свое содержимое при отключении питания.

Вторичную память (это главным образом диски) также можно рассматривать как одномерное линейное адресное пространство, состоящее из последовательности байтов. В отличие отоперативной памяти, она является энергонезависимой, имеет существенно большую емкость и используется в качестве расширения основной памяти.

Эту схему можно дополнить еще несколькими промежуточными уровнями, как показано на рис. 8.1. Разновидности памяти могут быть объединены в иерархию по убыванию времени доступа, возрастанию цены и увеличению емкости.

Диспетчеризация

Диспетчеризация (англ. dispatch — быстро выполнять) — процесс централизованного оперативного контроля и дистанционного управления, с использованием оперативной передачи информации между объектами диспетчеризации и пунктом управления.

Видеодиспетчеризация — разновидность диспетчеризации, при которой используется видеоизображение с объекта диспетчеризации.

Файловая система

Файловая система. На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется используемой файловой системой.

Каждый диск разбивается на две области: область хранения файлов и каталог. Каталог содержит имя файла и указание на начало его размещения на диске. Если провести аналогию диска с книгой, то область хранения файлов соответствует ее содержанию, а каталог - оглавлению. Причем книга состоит из страниц, а диск - из секторов.

Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) может использоваться одноуровневая файловая система, когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов (табл. 4.3). Такой каталог можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит только названия отдельных рассказов.

Таблица 4.3. Одноуровневый каталог

Имя файла Номер начального сектора Файл_1 56 Файл_2 89 . . .   Файл_112 1200

Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска используется многоуровневая иерархическая файловая система, которая имеет древовидную структуру. Такую иерархическую систему можно сравнить, например, с оглавлением данного учебника, которое представляет собой иерархическую систему разделов, глав, параграфов и пунктов.

Начальный, корневой каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня, в свою очередь, каждый из последних может содержать вложенные каталоги 2-го уровня и так далее. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться и файлы.

Например, в корневом каталоге могут находиться два вложенных каталога 1-го уровня (Каталог_1, Каталог_2) и один файл (Файл_1). В свою очередь, в каталоге 1-го уровня (Каталог_1) находятся два вложенных каталога второго уровня (Каталог_1.1 и Каталог_1.2) и один файл (Файл_1.1) - рис. 4.21.

Файловая система - это система хранения файлов и организации каталогов.

Рис. 4.21. Иерархическая файловая система

Параллелизм

Параллельные вычислительные системы — это физические компьютерные, а также программные системы, реализующие тем или иным способом параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах.^[1]

Например, для быстрой сортировки массива на двухпроцессорной машине можно разделить массив пополам и сортировать каждую половину на отдельном процессоре. Сортировка каждой половины может занять разное время, поэтому необходима синхронизация.

ЭВМ и периферийные устройства.

Арифметико–логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения предусмотренных в ЭВМ арифметических и логических операций. Участвующие в операциях данные выбираются из ОЗУ, результаты операций отсылаются в ОЗУ. Для ускорения выборки операндов (данных, участвующих в операциях) АЛУ может снабжаться собственной местной памятью (сверхоперативным запоминающим устройством – СОЗУ) на небольшое число данных (в сравнении с ОЗУ), но обладающей быстродействием, превышающим быстродействие ОЗУ. При этом результаты операций, если они участвуют в последующих операциях, могут не отсылаться в ОЗУ, а храниться в СОЗУ. Оперативная память вместе с СОЗУ представляет собой единый массив памяти, непосредственно доступный процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода. К настоящему времени для оптимизации работы созданы процессоры с несколькими уровнями (от одного до трех) кэширования ОЗУ (несколькими СОЗУ).

Устройство управления (УУ) – координирует работу процессора, посылая в определенной временной последовательности управляющие сигналы в устройства ЭВМ, обеспечивая их соответствующее функционирование и взаимодействие друг с другом.

Оперативная память (ОЗУ) – реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. ОЗУ служит для хранения программы, исходных данных задачи, промежуточных и конечных результатов решения задачи.

Память ЭВМ к настоящему времени приобрела довольно сложную структуру и "расползлась" по многим компонентам. Кроме оперативной, память включает также и постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (например видеопамять графического адаптера). Вся эта память вместе с оперативной располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть постоянная память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимальный необходимый набор сервисов (например: ROM BIOS).

Все узлы ЭВМ не входящие в ядро называются периферийными. Они обеспечивают расширение возможностей ЭВМ, облегчают пользование ими. В состав периферийных (внешних) устройств могут входить следующие узлы.

Внешняя память (устройства хранения данных, например, дисковые) – память, имеющая относительно невысокое быстродействие, но по сравнению с ОЗУ существенно более высокую емкость. Внешняя память предназначена для записи данных с целью последующего считывания (возможно, и на другом компьютере). От рассмотренной выше памяти, называемой также внутренней, устройства хранения отличаются тем, что процессор не имеет непосредственного доступа к данным по линейному адресу. Доступ к данным на устройствах хранения выполняется с помощью специальных программ, обращающихся к контроллерам этих устройств. В силу того что быстродействие внешней памяти значительно ниже быстродействия АЛУ, последнее в процессе работы взаимодействует лишь с ОЗУ, получая из него команды и данные, отсылая в эту память результаты операций. Часто при решении сложных задач емкость ОЗУ оказывается недостаточной. В этих случаях в процессе решения задач данные определенными порциями могут пересылаться из внешней памяти в ОЗУ, откуда они затем выбираются для обработки в АЛУ.

Устройства ввода/вывода (УВВ) служат для преобразования информации из внутреннего представления в компьютере (биты и байты) в форму, доступную окружающим, и обратно. Под окружающими понимаем как людей, так и другие машины (например технологическое оборудование, которым управляет компьютер). К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, джойстик, микрофон, сканер, видеокамера, различные датчики; к устройствам вывода – дисплей, принтер, плоттер, акустические системы (наушники), исполнительные механизмы. Список устройств ввода/вывода безграничен – благодаря фантазии и техническому прогрессу в него входят все новые и новые устройства; так, например, шлем виртуальной реальности из области фантастики вышел в производственно–коммерческую. Устройства хранения к УВВ относить некорректно, поскольку здесь преобразования информации ради доступности внешнему миру не происходит. Устройства хранения вместе с УВВ можно объединить общим понятием периферийные устройства. Существует еще большой класс коммуникационных устройств, предназначенных для передачи информации между компьютерами и (или) их частями. Эти устройства обеспечивают, например, соединение компьютеров в локальные сети или подключение терминала (это УВВ) к компьютеру через пару модемов. Периферийные и коммуникационные устройства снабжаются контроллерами или адаптерами, которые доступны процессору.

Основные функции ЭВМ

Основные функции таких ЭВМ можно представить следующим образом: решение логических задач и получение выводов; создание и управление базой знаний; обеспечение интеллектуальных интерфейсов (на естественном челове­ческом языке с экрана и голоса, на основе графических образов); автоматиза­ция программирования решаемых задач.

Схема, представленна, иллюстрирует представление о взаимо­действии аппаратурных и программных средств при реализации данных функ­ций. Главный объект программных разработок представлен в виде моделиру­ющей программной системы, а аппаратурных разработок – в виде системы ма­шины. Верхняя часть моделирующей программы отражает функции, связан­ные с решением задач и получением выводов, нижняя — средства управления базой знаний. Любая система решения задач может использовать большие внешние базы данных, функционирующие как библиотеки.

Основной отличительной чертой аппаратурных средств является поддерж­ка решения задач (аппаратурная реализация механизмов поиска в пространст­ве состояний), работы с базами знаний (аппаратурная поддержка функций системы управления базами знаний) . Это в свою очередь требует аппаратурной поддержки языков логического программирования и представления и обра­ботки знаний. Таким образом, осуществляется реализация не только функций ОС в обычном понимании (управление процессами, распределение ресурсов), но и компиляторов, возможно, элементов физического и логического ввода- вывода. В свою очередь это требует разработки принципиально новой элемент­ной базы — полу заказных или полностью заказных СБИС, которые будут эле­ментами параллельных структур на аппаратурном уровне.

Программные средства. Разработка аппаратурного и программного обеспечения ЭВМ пятого поколения включает три фазы. Первая фаза предус­матривает создание технологии для разработки аппаратурно-программных средств, вторая — разработку подсистем логического вывода и баз знаний, третья — интегрирование этих подсистем.

Основные характеристики ЭВМ

Быстродействие ЭВМ рассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения, пересылки, сравнения п т. д. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ. 

В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду. Для решения сложных задач возможно объединение нескольких ЭВМ в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарным быстродействием. 

Наряду с быстродействием часто пользуются понятием производительность. Если первое обусловлено, главным образом, используемой в ЭВМ системой элементов, то второе связано с ее архитектурой и разновидностями решаемых задач. Даже для одной ЭВМ такая характеристика, как быстродействие, не является величиной постоянной. В связи с этим различают: пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета обращения к оперативной памяти; номинальное быстродействие, определяемое с учетом времени обращения к оперативной памяти; системное быстродействие, определяемое с учетом системных издержек на организацию вычислительного процесса; эксплуатационное, определяемое с учетом характера решаемых задач (состава операций или их "смеси"). 

Емкость, или объем, памяти определяется максимальным количеством информации, которое можно разместить в памяти ЭВМ. Обычно емкость памяти измеряется в байтах. Как уже отмечалось, память ЭВМ подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная память, по своему объему у различных классов машин различна и определяется системой адресации ЭВМ. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей практически неограниченна. 

Точность вычислений зависит от количества разрядов, используемых для представления одного числа. Современные ЭВМ комплектуются 32- или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечения высокой точности расчетов в самых разнообразных приложениях. Однако, если этого мало, можно использовать удвоенную или утроенную разрядную сетку. 

Система команд - это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать в команде, какой вид (формат) должна иметь команда для ее распознания. Количество основных разновидностей команд невелико. С их помощью ЭВМ способны выполнять операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения, записи в память, передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости выполняется модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (с учетом их модификации). На современном этапе развития вычислительной техники используются два основных подхода при формировании системы команд процессора. С одной стороны, это традиционный подход, связанный с разработкой процессоров с полным набором команд, - архитектура CISC (Complete Instruction Set Computer - компьютер с полным набором команд). С другой стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора и повысить его быстродействие - архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer - компьютер с сокращенным набором команд). 

Стоимость ЭВМ зависит от множества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системы команд и т. д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектация ЭВМ и, в первую очередь, внешние устройства, входящие в состав машины. Наконец, стоимость программного обеспечения ощутимо влияет на стоимость ЭВМ. 

Надежность ЭВМ - это способность машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить следующие показатели:   

Области применения ЭВМ различных классов.

Первые компьютеры создавались исключительно для вычислений (что отражено в названиях «компьютер» и «ЭВМ»). Даже самые примитивные компьютеры в этой области во много раз превосходят людей (если не считать некоторых уникальных людей-счётчиков). Не случайно первым высокоуровневым языком программирования был Фортран, предназначенный исключительно для выполнения математических расчётов. Вторым крупным применением были базы данных. Прежде всего, они были нужны правительствам и банкам. Базы данных требуют уже более сложных компьютеров с развитыми системами ввода-вывода и хранения информации. Для этих целей был разработан язык Кобол. Позже появились СУБД со своими собственными языками программирования. Третьим применением было управление всевозможными устройствами. Здесь развитие шло от узкоспециализированных устройств (часто аналоговых) к постепенному внедрению стандартных компьютерных систем, на которых запускаются управляющие программы. Кроме того, всё бо́льшая часть техники начинает включать в себя управляющий компьютер. Наконец, компьютеры развились настолько, что стали главным информационным инструментом как в офисе, так и дома. Теперь почти любая работа с информацией зачастую осуществляется через компьютер — будь то набор текста или просмотр фильмов. Это относится и к хранению информации, и к её пересылке по каналам связи. Основное применение современных домашних компьютеров — навигация в Интернете и игры. Современные суперкомпьютеры используются для моделирования сложных физических и биологических процессов. Например, для моделирования ядерных реакций или климатических изменений. Некоторые проекты проводятся при помощи распределённых вычислений, когда большое число относительно слабых компьютеров одновременно работает над небольшими частями общей задачи, формируя таким образом очень мощный компьютер. Наиболее сложным и слаборазвитым применением компьютеров является искусственный интеллект — применение компьютеров для решения таких задач, где нет чётко определённого более или менее простого алгоритма. Примеры таких задач — игры, машинный перевод текста, экспертные системы.

Режим работы ЭВМ.

В общем случае режимы использования ЭВМ подразделяются на однопрограммные и многопрограммные. Однопрограммный режим имеет модификации: однопрограммный режим непосредственного доступа и однопрограммный режим косвенного доступа. В режиме непосредственного доступа пользователь получает ЭВМ в полное распоряжение, по окончании работ одного пользователя все ресурсы ЭВМ передаются в распоряжение другого. Этот тип режима характеризуется низкой производительностью ЭВМ, но в ПЭВМ этот режим работы основной. В режиме косвенного доступа пользователь не имеет прямого контакта с ЭВМ, в настоящее время этот режим не используется, но принципы построения этого режима лежат в основе многопрограммной обработки: из подготовленных заданий пользователей составляется пакет заданий. Процессор обслуживает программы пользователей строго в порядке их следования в пакете. Процесс выполнения очередной программы не прерывается до полного ее завершения. Этот режим называют последовательной пакетной обработкой, при нем обеспечивается параллельная работа устройств ввода-вывода и процессора. Это позволяет повысить производительность ЭВМ за счет сокращения простоев процессора. Но существенный недостаток данного режима — это большие простои процессора в случаях, когда очередная программа, вызванная в процессор, не обеспечена данными, и процессор вынужден простаивать. Кроме того, ЭВМ неэффективно работает и тогда, когда обрабатываемые программы захватывают процессор на длительное время. В этих случаях остальные программы пакета остаются без обслуживания. Многопрограммный (многопользовательский) режим работы ЭВМ позволяет одновременно обслуживать несколько программ пользователей. Реализация режима возможна при следующих условиях:  независимость подготовки заданий пользователями;  разделение ресурсов ЭВМ в пространстве и во времени; автоматическое управление вычислениями.

Функциональная и структурная организация процессора

  Процессор - основная часть компьютера, осуществляющая управление (эти возможности реализуются при помощи логических операций) и обработку данных. Переход от первых процессоров, имевших простую архитектуру и работавших на частотах 2,5 - 4 МГц к современным процессорам, выполненным на СБИС, включающих в себя десятки миллионов транзисторов (, работающих на частотах 200 - 500 МГц, сопровождается переходом  к более совершенным и мощным компьютерам. Процессор предназначен для выполнения последовательности команд, записанных в оперативной памяти компьютера. Структура процессора (рис.4.1.), позволяющая реализовать его функции, включает в себя:

·устройство управления (УУ), дешифрирующее команды и вырабатывающее сигналы управления для блоков, выполняющих эти команды;

·арифметико - логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

·блок  регистров общего назначения (РОН), позволяющий выполнять операции с предельно высокой скоростью;

·блоки  сверхоперативной памяти (Кэш 1-го уровня) для хранения команд и данных. Введение Кэш  позволяет уменьшить количество обращений к оперативному запоминающему устройству компьютера для чтения последовательности команд и данных;

·блоки, осуществляющие  интерфейс с памятью компьютера. Они обеспечивают  связь с внешним оперативным запоминающим устройством или блоком быстрой памяти (Кэш 2-го уровня), устанавливаемым между процессором и оперативной памятью;

·системный интерфейс, который обеспечивает связь процессора с системными блоками компьютера и внешними устройствами (ВУ). 

Рисунок 4.1. Структурная схема простейшего процессора.

Команда, считанная из ОЗУ, определяет вид действий над операндами, адреса операндов и адрес результата операции. Дешифрация команды в процессоре может быть сразу полной или частичной. При частичной дешифрации часть кода команды передаётся в АЛУ и дешифрируется при выполнении операции.

Классификация процессоров