Аппаратная и программная части BIOS

BIOS - это термин, который используется для описания базовой системы ввода - вывода. По существу, BIOS представляет собой "промежуточный слой" между программной и аппаратной частями системы. Кроме системной, существует еще BIOS адаптеров, которые загружаются при запуске системы. Итак, базовая система ввода /вывода - это комбинация всех типов BIOS, а также загружаемые драйверы устройств. Часть BIOS, содержащаяся в микросхеме на системной плате или платах адаптеров, называется firmware(именно из-за наличия этих микросхем пользователи чаще всего относят BIOS к аппаратной части компьютера). Операционная система через BIOS обращается непосредственно к аппаратному обеспечению. Эта связь реализована в виде драйверов устройств. Причем в каждой операционной системе -DOS, Windows 9x, Windows NT, Windows 2000, OS/2, Linuxили другой - для одного и того же устройства необходимы свои драйверы. Таким образом BIOS "подстраивается" под определенное аппаратное обеспечение и, независимо от установленного оборудования, обеспечивает стандартный интерфейс для операционной системы. BIOS представляет собой интерфейс между аппаратным обеспечением и операционной системой. BIOS не похожа на стандартное программное обеспечение, поскольку находится в микросхемах, установленных на системной плате или платах адаптеров. BIOS в РС-совместимой системе: · находится в микросхеме системной платы; · в микросхеме плат адаптеров, например в видеоадаптере; · или загружается с диска (драйверы). Системная BIOS содержит драйверы основных компонентов (клавиатуры, дисковода, жесткого диска, последовательного и параллельных портов и т.д.), необходимые для начального запуска компьютера. По мере появления новых устройств (видеоадаптеров, накопителей CD-ROM, жестких дисков с интерфейсом SCSI и т.д.) их процедуры инициализации не добавлялись в системную BIOS. Острая необходимость в таких устройствах при запуске компьютера отсутствует, поэтому необходимые драйверы загружаются с диска во время запуска операционной системы. Это относится к звуковым адаптерам, сканерам, принтерам, устройствам PC Card (PCMCIA) и т.д. Однако некоторые устройства необходимы при запуске компьютера. Например, для отображения информации на экране монитора необходима активизация видеоадаптера, но его поддержка не встроена в системную BIOS. Кроме того, сейчас существует огромное количество видеоадаптеров, и все их драйверы невозможно поместить в системную BIOS. В таких случаях необходимые драйверы помещаются в микросхему BIOS на плате этого устройства. А системная BIOS при загрузке ищет BIOS видеоадаптера и загружает ее до запуска операционной системы. ROM BIOS — программа, повышающая “интеллектуальный” уровень компонентов компьютера. Обновление базовой системы ввода-вывода часто может повысить эффективность компьютера и расширить его возможности. Именно благодаря базовой системе ввода-вывода разные операционные системы могут функционировать на любом PC-совместимом компьютере, несмотря на различие аппаратных средств. Поскольку базовая система ввода-вывода управляет аппаратными средствами, именно она должна учитывать их особенности. Вместо того чтобы создавать собственные BIOS, многие производители компьютеров покупают базовую систему ввода-вывода у таких компаний, как American Megatrends, Inc. (AMI), Award Software (теперь подразделение Phoenix), Microid Research и Phoenix Technologies Ltd. Изготовитель системной платы, желающий запатентовать базовую BIOS, должен в течение длительного времени сотрудничать с компанией, производящей базовые системы ввода-вывода, чтобы приспособить ее код к аппаратным средствам. Обычно BIOS постоянно хранится на микросхемах ROM на системной плате и является специфической для конкретной модели системной платы. Другими словами, новую версию базовой системы ввода-вывода необходимо получить у изготовителя системной платы. В старых системах зачастую требуется вначале расширить возможности базовой системы ввода-вывода, чтобы воспользоваться преимуществом другого обновления. Например, чтобы установить некоторые высокоемкие диски IDE или накопители LS-120 (емкостью 120 Мбайт) вместо дисковода для гибких дисков, в старых компьютерах зачастую требуется предварительно обновить BIOS. Например, некоторые компьютеры все еще продаются со старыми базовыми системами ввода-вывода, которые не поддерживают жестких дисков объемом более 8 Гбайт.

Стандартные сигналы:

Один короткий сигнал выдаётся при начале тестирования системы.

Длинные или короткие непрерывные сигналы означают неисправность системной платы или оперативной памяти.

Один длинный и два коротких сигнала свидетельствуют о неудачной инициализации видеоадаптера.

Один длинный и три коротких сигнала говорят об ошибки при проверке первых 64 Кбайт системной памяти.

Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы (ВС). Организация многопроцессорных систем. Симметричные системы. Особенности ОС многомашинных комплексов. Информационная целостность. Типы структур ВМ и ВС.

Вычислительные системы могут строиться на основе целых компьютеров или отдельных процессоров. В первом случае ВС будет многомашинной, во втором — многопроцессорной.

Многомашинная ВС содержит некоторое число компьютеров, информационно взаимодействующих между собой. Машины могут находиться рядом друг с дру­гом, а могут быть удалены друг от друга на некоторое, иногда значительное рас­стояние (вычислительные сети).

В многомашинных ВС каждый компьютер работает под управлением своей опе­рационной системы (ОС). А поскольку обмен информацией между машинами выполняется под управлением ОС, взаимодействующих друг с другом, динами­ческие характеристики процедур обмена несколько ухудшаются (требуется время на согласование работы самих ОС). Информационное взаимодействие компью­теров в многомашинной ВС может быть организовано на уровне:

· процессоров;

· оперативной памяти (ОП);

· каналов связи.

При непосредственном взаимодействии процессоров друг с другом информаци­онная связь реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в ОС весьма сложных специальных программ.

Взаимодействие на уровне ОП сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует существенной мо­дификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность модулей па­мяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.

На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто, и мо­жет быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами-драйверами, обеспечивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройст­вам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устрой­ствам ввода-вывода).

Все вышесказанное иллюстрируется схемой взаимодействия компьютеров в двух­машинной ВС, представленной на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Схема взаимодействия компьютеров в ВС

Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1-ми 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, хотя и ди­намические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели надежности таких систем существенно ниже.

В многопроцессорной ВС имеется несколько процессоров, информационно вза­имодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне оперативной памяти. Этот тип взаимодействия принят в большин­стве случаев, так как организуется значительно проще и сводится к созданию об­щего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и к устройствам ввода-вывода обеспечивается обычно через каналы ОП. Важным является и то, что многопроцессорная вычислительная система работа­ет под управлением единой операционной системы, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики ВС, но требует нали­чия специальной, весьма сложной операционной системы.

Схема взаимодействия процессоров в ВС показана на рис. 2.12.

Быстродействие и надежность многопроцессорных ВС по сравнению с много­машинными, взаимодействующими на 3-м уровне, существенно повышаются, во-первых, ввиду ускоренного обмена информацией между процессорами, более быстрого реагирования на ситуации, возникающие в системе, во-вторых, вслед­ствие большей степени резервирования устройств системы (система сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств).

Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютерные сети, примером многопроцессорных ВС — суперкомпъютеры.

Рис. 2.12.Схема взаимодействия процессоров в ВС

Операционные системы многомашинных ВС являются более простыми. Обычно они создаются как надстройка автономных ОС отдельных ЭВМ, так как здесь каждая ЭВМ имеет большую автономию в использовании ресурсов (своя оперативная и внешняя память, свой обособленный состав внешних устройств и т. д.). В них широко используются программные методы локального (в пределах вычислительного центра) и дистанционного (сетевая обработка) комплексирования.

Общим для построения ОС многомашинных комплексов служит тот факт, что для каждой машины ВС другие играют роль некоторых внешних устройств, и их взаимодействие осуществляется по интерфейсам, имеющим унифицированное программное обеспечение. Все обмены данными между ЭВМ должны предусматриваться пользователями путем включения в программы специальных операторов распараллеливания вычислений. По этим обращениям ОС ВС включает особые программы управления обменом. При этом ОС должна обеспечивать распределение и последующую пересылку заданий или их частей, оформляя их в виде самостоятельных заданий. Такие ОС, организуя обмен, должны формировать и устанавливать связи, контролировать процессы обмена, строить очереди запросов, решать конфликтные ситуации.

Программное обеспечение многопроцессорных ВС отличается большей сложностью. Это объясняется глубиной и сложностью всестороннего анализа процессов, формируемых в ВС, а также сложностью принятия решения в каждой конкретной ситуации. Здесь все операции планирования и диспетчеризации связаны с динамическим распределением ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, данных системных таблиц, программ, периферийного оборудования и т. п.). Центральное место в этом играют степень использования и методы управления общей оперативной памятью. Здесь очень часто могут формироваться множественные конфликты, требующие сложных процедур решения, что приводит к задержкам в вычислениях. Как таковые автономные ОС отдельных процессоров отсутствуют.

Параллельные системы. Параллельная и конвейерная обработка данных. Общие понятия. Организация конвейера. Суперскалярная обработка. Закон Амдала. Кластерная архитектура. Специальные требования.

Аппаратно современный параллелизм ЭВМ поддерживается на четырех основных уровнях:

- многомашинном;

-мультипроцессорном;

-однопроцессорном с несколькими исполнительными устройствами;

-конвейеризацией обработки данных;

Все современные параллельные ВС являются мультипрорцессорными с различной архитектурой.

Для организации параллельной обработки требуется:

Составление параллельных программ, т.е. отображение в явной форме параллельной обработки с помощью специальных конструкций языка, ориентированного на параллельные вычисления;

Автоматическое обслуживание параллелизма. Последовательная программа может быть автоматически проанализирована и выявлена явная или скрытая параллельная обработка. Она должна быть преобразована в явную

Отображение параллельной обработки вручную или автоматически на рабочие алгоритмы, использующие специфические характеристики заданной архитектуры.

При этом параллельные архитектуры, в особенности такие как матричные процессоры достигают высокой производительности именно с учетом архитектурных ограничений.

Конвейерная обработка. Конвейерная обработка улучшает использование аппаратных ресурсов для заданного набора процессов. Пример конвейерной организации сборочный транспортер на производстве. Если транспортер использует аналогичные, но не тождественные изделия, то это – последовательный конвейер., если же все изделия одинаковые, то это – векторный конвейер. В архитектуре вычислительных машин традиционными примерами последовательных конвейеров являются конвейерное устройство обработки команд и арифметико-логическое устройство. Конвейеры содержащие циклы называются циклическими. Конвейеры можно подразделять на однофункциональные и многофункциональные, а также на статические и динамические. Многофункциональный конвейер может перестраиваться при переходе от одной группы заданий к другой, тогда как в динамическом конвейере такая перестройка может производится между отдельными заданиями.