ЭВМ лекции

Всистеме bus master DMA (рис. 26.4б) для подключения устройства к арбитру необходимы, как минимум, три линии – ЛЗПД, ЛПЗ и ЛРПД, которые можно назвать шиной арбитража (ШАр), имеющей собственный вход в арбитр. Каждый вход (в контроллер, в арбитр) обладает определенным уровнем приоритета. Число подключаемых ИЗПД определяется числом входов в контроллер или арбитр. При обслуживании устройств, использующих slave DMA (рис. 26.4а), всем обменом управляет контроллер ПДП, обязательными компонентами которого являются блок СУМ и арбитр магистрали. Устройства магистрали пассивны и должны содержать только запросчик.

При обслуживании устройств, использующих bus master DMA (рис. 26.4, б), контроллер ПДП, как таковой, отсутствует и централизованно выполняется только арбитраж магистрали. Устройства магистрали активны, поэтому их обязательными компонентами являются запросчик и блок СУМ. После захвата магистраль управляется блоком СУМ конкретного устройства, ведущего обмен (master). В качестве арбитра магистрали используется либо специализированное устройство, либо контроллер ПДП, в котором функции блока СУМ отключены. Линии ЛРПД, присутствующие в системе bus master DMA, предназначены для передачи сигнала РПД, позволяющего активному устройству захватить магистраль. Кроме того, в системе bus master DMA обязательно присутствуют линии ЛПЗ, сигналы которых информируют арбитр о захвате магистрали тем или иным устройством. Сигнал ПЗ всегда выставляет master и удерживает его на линии все время, пока осуществляет обмен (управляет магистралью), поэтому сигнал всегда представлен потенциалом.

Всистемах радиальной структуры контроллер ПДП может работать и в комбинированном режиме, т.е. поддерживать как систему slave DMA, так и систему bus master DMA. Запросы от ИЗПД в обеих системах DMA могут быть представлены как уровнем потенциала, так и его перепадом, поскольку поступают в контроллер или арбитр по отдельным линиям. Однако представление запроса потенциалом более предпочтительно, поскольку система DMA становится более устойчивой как к помехам, так и к сбоям аппаратуры. Это существенно снижает вероятность пропуска запроса от ИЗПД.

261

Основным преимуществом радиальной структуры является то, что упрощается аппаратура арбитра магистрали, поскольку каждый ИЗПД имеет собственную ЛЗПД. Кроме того, несколько упрощается аппаратура ИЗПД и конструкция слота даже в случае bus master DMA, поскольку все активные устройства магистрали имеют отдельную шину арбитража (ШАр). Все это удешевляет радиальную систему по сравнению с цепочечной.

Цепочечная структура

Упрощенный вариант обобщенной структуры системы ПДП цепочечного типа представлен на рис. 26.5.

Р

ШАр2

Рис. 26. 7 Обобщенная цепочечная структура системы Bus Master DMA

Характерной особенностью цепочечной структуры является то, что множество активных устройств магистрали (ИЗПД), обязательными компонентами которых являются блок СУМ и запросчик, подключены к одной или нескольким шинам арбитража (ШАр). После захвата магистраль управляется блоком СУМ конкретного устройства, ведущего обмен (master). Контроллер ПДП отсутствует, и централизованно выполняется только арбитраж магистрали. Арбитраж может осуществлять как отдельное устройство, так и процессор (один из процессоров). Каждая ШАр соответствует одному входу в арбитр и обладает собственным уровнем приоритета. Таким образом, ИЗПД, подключенные к

262

разным ШАр, обладают различным приоритетом. Пассивные устройства магистрали (slave) к ШАр не подключены. Приоритет устройств, подключенных к одной ШАр, определяется их положением в цепи распространения сигнала разрешения прямого доступа (РПД).

ШАр в такой системе содержит, как минимум, четыре линии – ЛЗПД, ЛРПД, ЛПЗ и ЛБПД. В отличие от радиальной структуры, ИЗПД магистрали подключены к трем линиям ШАр (ЛЗПД, ЛПЗ и ЛБПД) параллельно, поэтому запросы от ИЗПД (сигналы ЗПД) всегда представлены уровнем потенциала.

Выходные каскады аппаратных средств формирования запросов в каждом ИЗПД объединены по схеме "или". Это позволяет исключить потерю запросов, одновременно выставленных запросчиками разных ИЗПД на одну ЛЗПД.

Линия ЛБПД – общая для всех ШАр и предназначена для передачи от арбитра сигнала блокировки прямого доступа (БПД), который запрещает bus mastering всем интеллектуальным устройствам магистрали. Необходимость в этом может возникнуть, например, при появлении запроса на линии ЛЗПД ШАр более высокого приоритета (при наличии нескольких ШАр) или в случае удержания магистрали одним устройством недопустимо долгое время.

Системы цепочечной структуры практически работают только в режиме bus master DMA, поскольку арбитр магистрали может идентифицировать только ЛЗПД, с которой поступил запрос, и определить его приоритет. При реализации режима slave DMA контроллеру DMA необходимо будет идентифицировать конкретное ИЗПД на данной линии. Такую операцию контроллер может выполнить только путем последовательного опроса устройств линии, что существенно увеличит время арбитража и усложнит аппаратуру устройств. Между тем техническая реализация таких систем возможна.

Основным преимуществом цепочечной структуры является практически неограниченное количество ИЗПД, подключаемых к одному входу арбитра (одной ШАр) без снижения быстродействия. Однако сложность и объем аппаратуры поддержки системы bus mastering в каждом ИЗПД увеличиваются, что ведет к увеличению стоимости системы.

263

27. Системное программное обеспечение

Системное программное обеспечение — это комплекс программ, которые обеспечивают эффективное управление компонентами вычислительной системы, такими как процессор, оперативная память, каналы ввода-вывода, сетевое и коммуникационное оборудование и т.п. Системное программное обеспечение реализует связь аппаратного и программного обеспечения, выступая как интерфейс, с одной стороны которого – аппаратура, а с другой – приложения пользователя.

Кроме системного программного обеспечения принято выделять прикладное программное обеспечение, которое призвано решать прикладные задачи пользователя.

В состав системного программного обеспечения входят:

∙операционные системы;

∙среды программирования (компиляторы, трансляторы, компоновщики, загрузчики, отладчики, текстовый редактор, библиотеки подпрограмм);

∙утилиты;

∙системы управления файлами;

∙системы управления базами данных.

27.1. Операционные системы

Операционная система (ОС) — это программа, выполняющая функции

посредника между пользователем и компьютером. ОС служит для того, чтобы

эффективно использовать компьютерные ресурсы и создавать условия для эффективной работы пользователя.

В качестве ресурсов компьютера обычно рассматривают:

∙время работы процессора;

∙адресное пространство основной памяти;

∙оборудование ввода/вывода;

∙файлы, хранящиеся во внешней памяти. Основные компоненты ОС:

∙управление процессами (распределяет ресурс – процессорное время);

264

∙управление памятью (распределяет ресурс – адресное пространство основной памяти);

∙управление устройствами (распределяет ресурсы – оборудование ввода/вывода);

∙управление данными (распределяет ресурс — файлы)

Функционирование компьютера после включения питания начиняется с запуска программы первоначальной загрузки — Boot Track. Программа Boot Track инициализирует основные аппаратные блоки компьютера и регистры процессора (CPU), накопитель памяти, контроллеры периферийного оборудования. Затем загружается ядро ОС, то есть Operating System Kernel.

Вдальнейшем ОС реагирует на события, происходящие и системе, как программные, так и аппаратные, и вызывает модули, ответственные за их выполнение.

ОС является как средой для организации работы пользователя, так и средой исполнения и взаимодействия различных программ.

На сегодняшний день самой распространенной операционной системой для ПК является Windows фирмы Microsoft.

Вте времена, когда работа над Windows только начиналась, считалось, что будущее принадлежит интегрированным средам. Фирма VisiCorp (создатель первой электронной таблицы VisiCalc) занималась созданием пакета Vision,

работавшего в текстовом режиме с возможностью управления манипулятором «мышь». Пакет предназначался для объединения нескольких приложений одной многооконной оболочкой. Фирма Quarterdesk в то время разрабатывала пакет DESQ, который впоследствии стал основой для ее многозадачной среды

DESQView.

Позиция фирмы Microsoft была иной. После посещения исследовательского центра Xerox PARC президент фирмы Билл Гейтс решил заняться созданием графической среды, которая послужила бы стандартной платформой для разработчиков прикладных программ. Тогда же этот центр посетил и Стиз Джобе, создатель компьютеров Macintosh, и NeXT. Какое впечатление на обоих молодых

людей оказало увиденное, хорошо известно. Итак, Microsoft поставила себе

265

задачу по созданию платформы для разработчиков. Предполагалось обеспечить

разработчиков встроенными функциями для реализации пользовательского интерфейса и его компонентов (окон, меню, панелей диалога), которые могли бы управляться с помощью клавиатуры или мыши.

Когда работа над средой Windows только начиналась, в распоряжении Microsoft был компьютер с процессором 8088 и максимальным объемом памяти 640 Кбайт.

Полагалось, что пользователи этой среды имеют порядка 256 Кбайт памяти, а жесткий диск им не доступен из-за высокой цены. Наилучшим графическим адаптером в те времена был CGA с разрешением 320 на 200 при работе с четырьмя цветами. Адаптер Hercules, обеспечивавший разрешение 720 на 348 в монохромном режиме, был тогда новинкой. Работа графической среды в таких условиях была очень медленной. В 1983 г. стали просачиваться первые сведения

оразработке Windows.

Кконцу 1984 г. казалось, что разработка Windows не завершится никогда. В ноябре 1984 г. фирма Microsoft объявила, что поставка Windows отложена до июня следующего года. К тому времени на рынке присутствовали два аналогичных продукта: TopView фирмы IBM и VisiOn фирмы VisiCorp, оба работавшие в текстовом режиме.

В то время Билл Гейтс возлагал большие надежды на графическую пользовательскую среду. Несмотря на высокую цену и низкую производительность, на рынке ощущалось некоторое влияние компьютеров

Macintosh, хотя в 1984 г. появились компьютеры IBM PC и Compaq. Windows1.0

Когда фирма Microsoft созвала пресс-конференцию на выставке Comdex, проходившей в ноябре 1985 г. в Лас-Вегасе, многие посчитали это событие последним шансом, особенно после того как среда Windows не была выпущена, как было обещано, в июне того же года. Пресс-конференция плавно перетекли в презентацию нового продукта — Microsoft Windows 1.0

По сравнению с интерфейсом Macintosh, среда Windows 1.0 выглядела «бледно». Окна на экране не перекрывались (а располагались, заполняя экран, что

266

называется tile), но имели кнопки для изменения размера и могли перемещаться мышью. В первой версии Windows не была реализована метафора «рабочей поверхности» (desktop), к тому времени уже имевшаяся в среде Мае и в графической оболочке GEM фирмы Digital Research. Программа управления файлами MS-DOS Executive работала в текстовом режиме.

Среда Microsoft Windows 1.0 не была требовательна к ресурсам: для ее работы было достаточно 256 Кбайт памяти и компьютера с двумя дисководами. Но как показал опрос первых пользователей, наличие жесткого диска и 640 Кбайт памяти существенно повышали производительность среды. Ряд проблем был решен, когда фирма Microsoft ввела поддержку расширенной памяти (LIM), стандарт которой был изначально разработан фирмой Lotus для работы электронной таблицы.

Используя расширенную память, среда Windows 1.03 могла скопировать код и данные в расширенную память вместо жесткого диска, но программы могли выполняться только в оперативной памяти. Для Windows 1,0 поставлялось немного прикладных программ Aldus Page Maker 1.0 (перенесенный с Macintosh) и графический пакет In-A-Vision фирмы Micrografx. Обе программы работали чрезвычайно медленно, даже на компьютерах класса PC AT.

В 1987 г. произошло два значительных события: была объявлена первая версия системы управления электронными таблицами Excel от Windows (почему- то версии 2.0) и новая версия среды Windows.

Windows 2.0

По сравнению с версией 1.0, версия Windows 2.0 имела ряд усовершенствований. Тогда как программа MS-DOS Executive по-прежнему

работала в текстовом режиме и не было графической программы управления файлами и рабочей области, появились перекрывающиеся окна с кнопками максимизации и минимизации. Поддержка перекрывающихся окон стала одной из причин длительных судебных процессов между фирмой Apple и фирмами Digital Research (графическая оболочка GEM) и Microsoft. Окна могли перемешаться по экрану; была реализована поддержка клавиатурных эквивалентов для большинства стандартных команд и функций меню.

267

Не менее важным было введение протокола динамического обмена данными (DDE), и пакет Excel явился первым примером использования этой концепции. Протокол давал возможность установить динамическую связь между приложениями. Аналогичный протокол был реализован фирмой Apple только в рамках операционной системы System 7 в 1990 г.

Позже среда Windows была поделена на два продукта, символизируя тем самым разделение рынка на системы сопроцессором 386 и без него. Версия Windows/286 была улучшенной версией Windows 2.0 с поддержкой протокола управления расширенной памятью EMS 4.0. Версия Windows/386 предоставляла несколько больше возможностей. Используя аппаратные преимущества процессора 80386, эта среда могла эмулировать расширенную память в дополнительной памяти и выполнять одновременно несколько программ, работая в виртуальном 8086 режиме процессора 80386.

Но даже при наличии Windows/386, высокопроизводительных процессоров, значительного количества памяти и поддержки VGA-графики среде Windows не доставало большого количества прикладных программ. Большинство фирм- производителей программного обеспечения делали ставку на OS/2. К их числу относились Borland и Lotus. В их планы разработка приложений для среды Windows в ближайшее время не входила.

Windows 3.0

Крупным шагом вперед стал выпуск в мае 1990 года версии Windows 3.0. Фирма Microsoft ввела поддержку защищенного режима процессоров 80286 и 80386, что давало прикладным программам больше памяти. Поддержка 386 расширенного режима была перенесена из Windows/386. Прикладным программам теперь отводилось до 16 Мбайт памяти, причем не странично организованной, как в LIM EMS, а доступной для одновременного использования. Была реализована псевдомногозадачность и возможность выполнения DOS- программ в окне.

Заметно улучшился пользовательский интерфейс. Программы управления файлами File Manager и Program Manager были выполнены в стиле самой среды, появилась программа конфигурации Control Panel, были добавлены

268

пропорциональные шрифты, а также объемные интерфейсные элементы; полосы прокрутки и кнопки.

Изменения в работе дисплейных драйверов и возможность адресации большего объема памяти позволили Windows работать существенно быстрее. Наконец-то и пользователи, и разработчики программных продуктов получили именно ту среду, которую они так долго ждали.

Среди фирм-производителей программного обеспечения началась Windows- истерия: все, что можно и нельзя было перенести в эту среду, получало название for Windows. Компиляторы, электронные таблицы, графические пакеты, коммуникационные программы, игры — все шло на алтарь Windows. В такой гонке одни фирмы задыхались, отставали, другие вырывались вперед. Друзей не было и нет, небольшие и крупные фирмы, вовремя не развернувшиеся в сторону Windows, сметались с пути, их скупали, с ними объединялись, обменивались акциями, одним словом, неповоротливые клиенты просто уничтожались. Многие фирмы росли как на дрожжах: еще вчера они предлагали один-два продукта, работающих в среде DOS, а сегодня — широкий спектр Windows-продуктов. Пусть не очень высокого качества, но зато сегодня.

Windows 3.1

Несмотря на все улучшения, в среде Windows 3.0 были и существенные упущения: недостаток системных ресурсов, что делало невозможным использование имеющейся памяти, и знаменитые системные ошибки (UAH), происходившие намного чаще, чем этого можно было ожидать. Решение этих проблем привело к появлению версии Windows 3.1, которая изначально планировалась как небольшое улучшение версии 3.0. На самом деле введение поддержки масштабируемых шрифтов технологии TrueType и исправление ряда принципиальных ошибок превратила Windows 3.1 в самостоятельный проект, к которому в результате добавились значительные новшества. Так, был реализован протокол создания составных документов OLE, документирован протокол Drag- and-Drop; улучшен интерфейс с протоколом DDE (библиотека DDEML), введены панели диалога общего назначения (COMMDLG), в отведенные запросы были открыты ранее недокументированные функции и рабочие области ядра (TOOL-

269

HELP). Одним словом, среда Windows превратилась в хороший инструмент для разработчиков и удобный графический интерфейс для пользователей.

Windows for Workgroups 3.11

В ноябре 1992 г. фирма Microsoft выпустила несколько обновленную версию Windows — Windows tor Workgroups 3.11. Это была первая операционная система Windows, включающая в свой состав сетевые средства. Данная система логически продолжает линию Windows и позволяет соединить в единую сеть отдельные компьютеры по бессерверной схеме (одноранговая сеть), а также позволяет работать как сетевой клиент для сервера Windows NT. Теперь для организации сети необходимо иметь только Windows и соответствующее оборудование — сетевые карты, кабели и т. д, В Windows for Workgroups впервые стали использоваться 2-разрядные драйверы виртуальных устройств (VxD) и 32- разрядный доступ к жесткому диску, что значительно повысило производительность. Еще одним новшеством стало то, что Windows for Workgroups работала только в 386-м расширенном режиме, тем самым подписывая смертный приговор устаревшим 286-м процессорам.

Windows NT 3.51

Windows NT, выпущенная в июле 1993 г. разработана как операционная система высокого класса для компьютеров класса high-end. Она изначально создавалась как сетевая операционная система для работы как в качестве сервера, так и в качестве рабочей станции. Windows NT — это не последовательница Windows 3.x, а новая операционная система, открывающая новую линию Windows. Внешне Windows NT очень сильно похожа на Windows 3.x, но ее внутренняя структура в корне отличается от Windows 3.x. Архитектура Windows NT разрабатывалась таким образом, чтобы система обладала максимальной устойчивостью и надежностью, И надо сказать, что это разработчикам удалось. Windows NT обеспечивает стабильность вполне сравнимую с серверами UNIX, Windows NT функционирует не только на платформе Intel, но и на RISC-

процессорах: PowerPC, MIPS R4000, DEC Alpha. Windows NT может исполнять приложения DOS, Winl6, Win32, POSIX и приложения OS/2, не использующее графический интерфейс. Одним из важнейших новшеств стало использование

270