Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2




Скачать 81.01 Kb.
НазваниеЛекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2
Дата22.12.2012
Размер81.01 Kb.
ТипЛекция



“Системное программное обеспечение”


Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200





Лекция 2



Глава 2. Аппаратные средства и программное обеспечение





  1. Аппаратные средства. Центральный процессор и его режимы работы. Мультипроцессорная обработка. Расслоение памяти. Регистр перемещения. Прерывания и опрос состояний. Буферизация. Защита памяти. Периферийные устройства и их режимы. Каналы ввода-вывода. Захват цикла памяти. Относительная адресация. Виртуальная память. Прямой доступ к памяти. Иерархия памяти.

  2. Программное обеспечение.




  • [Дейтел 87] Дейтел Г., Введение в операционные системы. М."Мир",1987.

  • [Кейлингерт 85] Кейлингерт П., Элементы операционных систем, М."Мир", 1985.

  • [Кейслер 86] Кейслер С., Проектирование операционных систем для малых ЭВМ, М."Мир", 1986.

  • [Колин 75] Колин А., Введение в операционные системы, М."Мир", 1975.

  • [Цикритзис 77] Цикритзис Д., Бернстайн Ф., Операционные системы, М."Мир", 1977.



Аппаратные средства


Аппаратные средства - это устройства компьютера: процессоры, устройства памяти, устройства ввода-вывода, а также средства приема-передачи данных.

Мы рассмотрим различные виды аппаратных средств и режимы их работы, которые имеют важное значение с точки зрения работы ОС.


Центральный процессор и его режимы работы

Следует обратить внимание на два основных режима: режим задачи (problem state) и режим супервизора (supervisor state). Операционной системе обычно присваивается статус самого полномочного пользователя и работает она в режиме супервизора, имея доступ ко всем командам, предусмотренным в машине. Программы пользователя имеют доступ лишь к ограниченному числу команд и, в обычном случае, работают в режиме задачи. Команды, которые не могут выполняться в режиме задачи, носят название привилегированных команд.


Мультипроцессорная обработка (multiprocessing)

В мультипроцессорных системах несколько процессоров работают с общей основной памятью и одной ОС. Здесь возникает необходимость обеспечения координированного упорядоченного доступа для исключения конфликтных ситуаций, например, когда два процессора не могли бы одновременно изменять содержимое общей ячейки памяти и т.п. ситуации. Следует отметить, что упорядочение доступа необходимо также и для однопроцессорных машин.


Расслоение памяти

Метод расслоения памяти (storage interleaving) применяется для увеличения скорости доступа к оперативной памяти. В обычном случае во время обращения к какой-либо области памяти никакие другие обращения к памяти производиться не могут. При расслоении памяти соседние по адресам ячейки размещаются в различных модулях памяти, так что появляется возможность производить несколько обращений одновременно. Например,

при расслоении на два направления ячейки с нечетными адресами оказываются в одном модуле памяти, а с четными - в другом. Таким образом, расслоение памяти позволяет обращаться сразу к нескольким ячейкам, поскольку они относятся к различным модулям.


Регистр перемещения

Регистр перемещения (relocation register) обеспечивает возможность динамического перемещения программ в памяти. В регистр перемещения заносится базовый адрес программы, хранящейся в основной памяти. Содержимое регистра перемещения прибавляется к каждому указанному в выполняемой программе адресу. Благодаря этому пользователь может писать программу так, как если бы она начиналась с нулевой ячейки памяти, но реально в памяти программа может размещаться совсем не в тех местах, которые она должна была бы занимать согласно адресам, указанным при трансляции.


Прерывания и опрос состояний

Одним из способов, позволяющих некоторому устройству проверить состояние другого, независимо работающего устройства, является опрос (polling).Так одно из устройств периодически может проверять состояние другого, и, если оно не находится в определенном состоянии, продолжать свою работу.

Прерывания (interrupts) дают возможность немедленно одному устройству привлечь внимание другого, с тем, чтобы первое могло сообщить об измерении своего состояния. Состояние устройства, работа которого прерывается, должно быть сохранено, только после этого допустимо выполнять обработку прерывания. После завершения обработки прерывания состояние прерванного устройства восстанавливается, с тем, чтобы можно было продолжить работу.


Буферизация

Буфер (buffer) - это область оперативной памяти, предназначенная для промежуточного хранения данных при выполнении операций ввода-вывода.

Существует несколько способов буферизации. При простой буферизации процесс обработки данных процессором и процесс занесения новых данных в буфер разделены во времени, т.е. в момент занесения новых данных процесс обработки производиться не может, и наоборот. Метод двойной буферизации позволяет совмещать эти процессы, т.е. когда канал заносит данные в один буфер, процессор может обрабатывать данные другого буфера. Такое поочередное использование буферов называют буферизацией с переключением или триггерной буфферизацией (flip-flop buffering). Ввод-вывод с буферизацией носит название спулинг (spooling).


Защита памяти

Защита памяти (storage protection) - важное условие работы для систем коллективного пользования. Защита памяти ограничивает диапазон адресов, которые доступны программе. Защиту памяти для программы, занимающей непрерывный блок ячеек памяти, можно реализовать с помощью граничных регистров, где указываются старший и младший адреса этого блока памяти.

Защита памяти также может быть реализована с помощью ключей защиты памяти (storage protect keys), относящихся к определенным областям основной памяти - программе разрешается обращение только к тем областям памяти, ключи которых совпадают с ключом данной программы.


Периферийные устройства и их режимы

Периферийные устройства обладают возможностью работать либо в режиме on-line, когда они непосредственно связаны с центральным процессором. Либо в автономном режиме off-line, когда ими управляют контроллеры, не связанные с центральной вычислительной машиной.


Каналы ввода-вывода

Канал ввода-вывода представляет собой специализированный процессор, предназначенный для управления вводом-выводом независимо от основного процессора. Канал имеет возможность прямого доступа к основной памяти для записи и выборки информации. Основное назначение каналов состоит в том, чтобы увеличить параллелизм работы аппаратуры и освободить процессор от подавляющей части нагрузки, связанной с управлением вводом-выводом.

Для высокоскоростного обмена данными между внешними устройствами и основной памятью используются селекторные каналы (selector channel), имеющие только по одному подканалу и обслуживающие в каждый момент времени только одно устройство.

В отличие от селекторных, мультиплексные каналы (multiplexor channel) имеют множество подканалов и могут работать одновременно с несколькими потоками данных в режиме чередования.


Захват цикла памяти

Наиболее узкое место где может возникнуть конфликтная ситуация между каналами и процессором - это доступ к основной памяти. При возникновении ситуации, когда и каналам и процессору может потребоваться обращение к основной памяти, в обычном случае приоритет предоставляется каналам. Это и называется захватом цикла памяти (cycle stealing), канал буквально “крадет” циклы обращения к памяти у процессора. Подобный подход обычно используется в ОС.


Относительная адресация

Для обеспечения работы с большими адресными пространствами в памяти используется относительная адресация (база + смещение). В этом случае все адреса программы суммируются с содержимым базового регистра (base register) . Подобное решение имеет то преимущество, что программы в этом случае оказываются перемещаемыми и позиционно независимыми.


Виртуальная память

Использование виртуальной памяти (virtual storage) дает возможность указывать в программах адреса, которым необязательно соответствуют реальные адреса основной памяти. Виртуальные адреса динамически, при помощи аппаратных средств, преобразуются в адреса команд и данных, физически расположенных в основной памяти.

В системах виртуальной памяти применяются такие методы, как страничная организация (paging) - предусмативающая обмен между основной и внешней памятью блоками данных фиксированного размера, и сегментация (segmentation) - предусматривающая разделение программ и данных на логические компоненты (сегменты).


Прямой доступ к памяти (ПДП)

Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA) является средством повышения производительности за счет минимизации количества прерываний, происходящих в процессе выполнения программы. ПДП основан на том, что после начала операции ввода-вывода символы передаются в основную память по принципу захвата цикла - канал захватывает шину связи процессора с основной памятью на короткое время передачи одного символа, после чего процессор продолжает работу. Когда внешнее устройство оказывается готовым к передаче очередного символа блока, оно прерывает процессор. Однако в случае ПДП состояние процессора запоминать не требуется, поскольку передача одного символа означает для процессора скорее задержку, или приостановку, чем обычное прерывание. Символ передается в основную память под управлением специальных аппаратных средств, а после завершения передачи процессор возобновляет работу.

Аппаратные средства, обеспечивающие захват циклов памяти и управление устройствами ввода-вывода в режиме ПДП, называются каналом прямого доступа к памяти (DMA channel).


Конвейеризация

Конвейеризация (pipelining) - это аппаратный способ, применяемый в высокопроизводительных вычислительных средствах с целью использования определенных типов параллелизма для повышения эффективности обработки команд. Упрощенно схему конвейеризации можно представить в виде обычного конвейера, на котором в различных стадиях выполнения одновременно могут находиться несколько команд. Такое совмещение требует достаточно больших аппаратурных затрат, но оправдано сокращением общего времени выполнения команд.


Иерархия памяти ( storage hierarchy)

Известно, что современные вычислительные машины содержат несколько видов памяти: кеш-память (cache,storage) оперативную, внешнюю, и другие. Все эти виды памяти создают единую иерархию памяти, переход по уровням этой иерархии от кеш к внешней памяти сопровождается уменьшением стоимости и скорости и увеличением емкости памяти.


Вопросы

  1. Объясните, в чем заключается концепция расслоения памяти.

  2. В чем заключается отличие между простой и двойной буферизацией?

  3. Опишите несколько способов защиты памяти.

  4. Определите понятие - спулинг.

  5. Как осуществляется прямой доступ к памяти?

  6. Укажите различия между селекторными и мультиплексными каналами.

  7. Какие возможности предоставляет использование виртуальной памяти?



Программное обеспечение



Программное обеспечение - это комплекс программных средств, включающий системные программы, пакеты прикладных и пользовательских программ.


Раздел для самостоятельной проработки


Дайте определения следующим понятиям:

  • Прикладное и системное программное обеспечение

  • Процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки

  • Машинный язык

  • Ассемблеры

  • Языки высокого уровня

  • Трансляторы, компиляторы и интерпретаторы

  • Системы управления вводом-выводом (IOCS)

  • Спулинг

  • Микропрограммирование

  • Эмуляция


Вопросы

  1. Укажите различия между машинным языком, ассемблером и языком высокого уровня.

  2. Укажите различия между проблемно-ориентированным и процедурно-ориентированным языком.

  3. Чем интерпретаторы отличаются от компиляторов?

  4. Что такое микропрограммирование?

  5. Что такое эмуляция?

  6. Определите назначение системы управления вводом-выводом.

  7. Определите понятие - спулинг.

Похожие:

Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconЛекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 5
Кейслер 86] Кейслер С., Проектирование операционных систем для малых эвм, М."Мир", 1986
Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconЛекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 3
Обработка прерываний. Типы прерываний. Переключения контекста. Разрешение и запрещение прерываний
Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconЛекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 1
Операционная система. Определение и назначение. Функции операционных систем. Основные качества ос. Поколения операционных систем....
Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconЛекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 6
Синхронизация блокирования/возобновления процессов при помощи семафоров. Реализация взаимодействия в паре “производитель-потребитель”...
Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconЛекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 5102 0
Кейслер 86] Кейслер С., Проектирование операционных систем для малых эвм, М."Мир", 1986
Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconКурс «Основы кибернетики» для студентов специализации 01. 02. 09. 01 (математическое и программное обеспечение вычислительных машин) и бакалавров направления 510200
Курс является обязательным для всех студентов, обучающихся по специальности 01. 02 – прикладная математика и информатика, а также...
Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconТематическое планирование к рабочей программе по дисциплине «Психодиагностика» для специальности 050706 «педагогика и психология» Дневное отделение
Изучается на специальности «Педагогика – психология» на дневном отделении в 6 и 7 семестрах, на заочном отделении – в 5, 6, 7 семестрах....
Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconМетодические указания по выполнению контрольной работы для студентов направления 010500. 65 (510200) «Прикладная математика и информатика»
Языки программирования и методы трансляции: методические указания по выполнению контрольной работы для студентов специальности 010500....
Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconПаспорт учебной дисциплины «Проблемы физической географии» Основная дисциплина для студентов специальности 1 31 02 01 «География»
Соответствующие литературные источники, а также данный лекционный курс помогут сделать определенные выводы и решить спорные, дисскусионные...
Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция 2 iconАннотация Электронный курс «Региональная геофизика»
Электронный лекционный курс «Региональная геофизика» разработан в рамках вариативной части профессионального блока для студентов...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница