Архитектура и базовые принципы организации классической вычислительной системы

Операционные системы возникли лишь на определенном этапе развития ЭВМ.

Эволюция ОС тесно переплетена с эволюцией аппаратного обеспечения вычислительных систем.

Понимание основных этапов развития аппаратной среды является необходимым условием для понимания причин возникновения многих механизмов ОС.

Два главных «источника» развития вычислительных систем, и, как следствие ОС:

¾ наличие противоречия в системе «человек-машина» (машинный язык, человеческий язык). Программирование в двоичных кодах очень трудоемко. Направление развития – абстракция, формирование многоуровневых виртуальных машин.

¾ повышение эффективности системы, состоящей из элементов различной природы (в том числе электромеханической) построенных на различных технологиях и обладающих существенным различием в скоростях обработки данных.

Направление развития: от эффективности работы процессора к эффективности работы программиста (изменились цены). Поскольку критерии эффективности разные, то и системы будут разные.

Разрешение технических «противоречий»

· различие в скоростях обработки данных преодолевается введением в структуру процессора дополнительных элементов памяти (кэширование, регистры), буферизация вывода и ввода данных

· «разгрузка» ЦП от вспомогательных управленческих функций – часть управленческого функционала передается управляющим компонентам (контроллерам) периферийных устройств.

· многообразие периферийных устройств преодолевается переходом от работы с их физическими параметрами (они перекладываются на драйвера самих устройств) к работе с логическими параметрами (вводится файловая система).

· многообразие устройств одинакового предназначения, но изготовленных различными фирмами преодолевается вводом стандартов различного уровня.

Согласно классической фон-неймановской схеме, преобладавшей в ЭВМ 1-2 поколениях, центром архитектуры ЭВМ является процессор.

Устройство вывода

АЛУ - арифметико-логическое

устройство

Устройства вывода

УУ – управляющее устройство

ПЗУ – постоянно

запоминающее устройство

(жирными стрелками показаны управляющие воздействия, а тонкими – направления информационных потоков)

Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа.

АЛУ выполняет арифметические операции (сложение) и логические операции (логическое и).

Процессор управляет всеми устройствами и через него проходят все информационные потоки.

Основные принципы организации ЭВМ по фон-Нейману:

1. Принцип двоичного кодирования. Электронные машины должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Принцип программного управления. Машина выполняет вычисления по программе. Программа состоит из набора команд, которые исполняются автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи программа ее исполнения должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладающей высокой скоростью выборки и записи.

4. Принцип однотипности представления чисел и команд. Программа, так же как числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны, а это дает возможность машине исполнять операции над командами программы.

5. Принцип иерархичности памяти. Трудности реализации единого емкого быстродействующего запоминающего устройства требуют иерархичного построения памяти. Должно быть, по меньшей мере, два уровня иерархии: основная память (ОЗУ) и внешняя память.

6. Принцип адресности основной памяти. Основная память должна состоять из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени (имя ячейки присваивается в программе, и соответствующий этому имени адрес должен храниться в основной памяти на протяжении всего времени выполнения программы).

Как видно базовая структура компьютера не содержит ОС и в принципах организации ЭВМ также отсутствует какое-либо упоминание об ОС.

Архитектура компьютера является комплексным понятием, включающим целый ряд характеристик:

· структурную схему ЭВМ;

· средства и способы доступа к элементам структурной схемы;

· организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

· набор и доступность регистров;

· организацию и способы адресации памяти;

· способы представления и форматы данных ЭВМ;

· набор машинных команд ЭВМ;

· форматы машинных команд;

· обработку нештатных ситуаций (прерываний)

Фактически, понятие архитектуры включает в себя практически всю необходимую для программиста информацию о компьютере.

Все современные ЭВМ обладают некоторыми общими и индивидуальными свойствами архитектуры.

Внутри ЦП находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления.

Эта память состоит из нескольких регистров (несколько десятков), каждый из которых выполняет определенную функцию.

Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра.

Регистры считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри ЦП.