Лекции Системное ПО. Лекция Структура и основные компоненты вычислительной системы
 Скачать 0.71 Mb.
|
Внешние устройстваВнешние устройства можно определить как все те устройства, которые отличаются от процессора и памяти. Управление внешними устройствами осуществляется через систему прерываний. Внешние устройства можно подразделить на Внешние Запоминающие Устройства (ВЗУ) и Устройства Ввода/Вывода (УВВ) информации. ВЗУ — это устройства, способные хранить информацию некоторое время, связанное с физическими свойствами конкретного устройства, и обеспечивать чтение и/или запись этой информации в оперативную память. Если рассматривать ВЗУ с точки зрения использования различными компонентами программного обеспечения, то можно выделить следующие типы устройств: Магнитный барабан. Магнитный барабан — это устройство, которое характерно для больших вычислительных комплексов. Обычно оно используется операционной системой для хранения системной информации. Суть работы этого устройства состоит в следующем. Имеется металлический цилиндр большого веса (вес здесь имеет значение для поддержания стабильной скорости вращения), который вращается вокруг своей оси. Поверхность этого цилиндра покрыта слоем материала, способного хранить информацию (с него можно читать и на него можно записывать информацию). Над поверхностью барабана размещается p считывающих головок. Их положение зафиксировано над поверхностями, которые называются треками (track). Каждый трек разделен на равные части, которые называются секторами. В каждый момент времени в устройстве может работать только одна головка. Запись информации происходит по трекам магнитного барабана, начиная с определенных секторов. Координатами информации служат следующие параметры (№Трека, №Сектора и Объем информации). Для чтения информации с магнитного барабана производятся следующие действия: включается головка, соответствующая номеру трека, и прокручивается барабан до появления под головкой начала сектора с заданным номером. После этого начинается обмен. Практически во всех ВЗУ, основанных на вращении носителя, существует понятие сектора, и в каждый момент времени устройство знает, над каким сектором оно находится. Магнитные барабаны — это устройства, имеющие одну из самых больших скоростей доступа, так как электронные и механические действия в его работе минимальны (вращение барабана). Магнитные диски. Имеется несколько дисков, размещенных на одной оси, которые вращаются с некоторой постоянной скоростью. Каждый такой диск может иметь две информационно-несущие поверхности (верхнюю и нижнюю), покрытые слоем, способным фиксировать информацию. Диски имеют номера; поверхности каждого диска также пронумерованы (0,1). Концентрическим окружностям одного радиуса на каждом диске соответствует условный цилиндр. Диск также разбит на сектора. Координаты информации на диске (№Диска, №Поверхности, №Цилиндра, №Сектора). Механически управляемая штанга имеет щупы, на концах которых находятся считывающие и записывающие головки. Количество этих щупов может быть равно количеству дисков (считывается либо верхняя, либо нижняя поверхность). Обмен информацией осуществляется следующим образом: на блок управления диском подается набор координат с требуемым объемом информации. Блок головок вводится внутрь диска между поверхностями до заданного номера цилиндра. Затем, включается головка, читающая заданную поверхность заданного диска. После этого ожидается подход заданного сектора и начинается обмен. Здесь, в отличие от магнитного барабана, уже два механических действия, что ухудшает скоростные свойства магнитных дисков. Примерами магнитных дисков являются винчестер и гибкие диски (floppy). Лекция 4. Мы с вами продолжаем обзор свойств архитектуры вычислительной системы. И вновь следует обратить внимание на тот факт, что мы с вами рассматриваем не просто ЭВМ, как набор плат, размещенных на ней микросхем, каких-то проводников, механических устройств и всего прочего, а мы рассматриваем вычислительную систему, то есть то образование, к которому мы уже привыкли — кто-то из вас привык к одному типу и считает, что это почти везде так — есть персональные компьютеры и больше ничего. Нет, на самом деле вычислительной техники очень много, она разнообразна: она есть большая и маленькая, встроенная и т.д. И мы с вами рассматриваем это, как вычислительную систему — систему, объединяющую аппаратуру и программное обеспечение. Мы рассматриваем это объединение, как систему — как программное обеспечение, оказывает влияние на аппаратуру, и наоборот. Мы с вами уже посмотрели и поговорили на предыдущих лекциях о некоторых таких взаимосвязях, м.б. в некоторых местах я не обращал ваше внимание — сейчас обращаю: виртуальная память — это чистое средство аппаратуры, обеспечивающее поддержку программного обеспечения, для повышения эффективности ПО буферизация — аппаратное свойство, которое поддерживает программное обеспечение в целях повышения эффективности система прерываний — это также аппаратное средство, которое ориентировано на поддержку ПО. Она обеспечивает взаимодействие программ с внешним миром И так далее. Я еще раз замечаю, что цель наших лекций — это не изучение ОС Unix, которую мы будем рассматривать, и не изучение страничной организации памяти. Наша цель — понимание термина “система” в выражении “вычислительная система”, то есть понимание взаимосвязей внутри некоторого комплекса. Эти связи очень сильные и напутанные, как, например, уже рассмотренные механизмы буферизации или система прерываний. А если мы возьмем какую-нибудь сложную машину, у который не один процессорный элемент, а несколько процессорных элементов, которые работают на одну память, то у нас возникает еще более сложная проблема, например, с той же буферизацией памяти. И то, что мы с вами рассматриваем на лекциях — это очень простой срез, необходимый для того, чтобы у вас сложилось концептуальное понимание работы системы. Прошлую лекцию мы закончили рассмотрением некоторых типовых внешних запоминающих устройств. Мы рассмотрели такие устройства, как магнитный барабан (МБ) и магнитный диск (МД), выяснили их отличия. Самоцель наших лекций — не изучить работу магнитного барабана, а получить некий инструмент, который позволял бы сравнивать некоторые качества компонент вычислительной системы. Мы выяснили, что внешние ЗУ, такого класса, как МБ и МД, могут характеризоваться степенью проявления механических действий при обработке заказа на обмен. При обмене с МБ — вращение барабана, с МД — добавляется, помимо вращения блина МД, механическое действие по подводу считывающих головок. Чем больше механический движений, тем она медленнее. Есть еще один экзотический вид памяти — память на магнитных доменах. Суть этой памяти в следующем: В магнетизме существует элементарная единица — магнитный домен, одна сторона этой частицы положительна, другая — отрицательна. Существует магнитный барабан, у которого есть треки и головки для чтения и записи. Сам барабан не вращается, а за счет некоторых магнитно-электрических элементов осуществляется перемещение по треку цепочки доменов. При этом каждый домен может быть однозначно ориентирован — это есть кодирование нуля и единицы. Основаннвя на таком принципе память очень быстродейственна, за счет отсутствия механических действий. Но эти устройства достаточно специфичны, они используются во встроенных вычислительных системах, в частности, в американских шаттлах используется такой тип памяти. Итак, мы рассмотрели ВЗУ с точки зрения их эффективности. Давайте посмотрим на них с точки зрения методов доступа. Суть ЗУ заключается в том, что информация в нем записывается некоторыми блоками или записями. В некоторых устройствах размер блока или записи фиксирован. В других устройствах размер записи произволен и определяется начальным и конечным маркером, который можно программно записать на носитель этого устройства. В контексте работы с записями и блоками ВЗУ можно разделить на два типа: устройства прямого и последовательного доступа. Разница заключается в том, что при прямом доступе можно считать или записать произвольный блок (например, компакт-диск, МБ, МД и др.), а при последовательном — чтобы добраться до определенной записи требуется просмотр всех предыдущих записей (например, аудио кассета, стриммеры и др.) Это два взгляда на ВЗУ. Давайте посмотрим на ВЗУ с точки зрения управления. На ранних стадиях устройство управления ВУ являлось некоторым интерфейсом в получении всех управляющих команд от процессора и передачи их конкретному внешнему устройству. Это означает, что ЦП должен был обрабатывать практически все действия, предусмотренные системой команд управления конкретного устройства. Несмотря на то, что при этом был уже реализован и использовался аппарат прерываний, позволяющий проводить асинхронный обмен, были достаточно большие потери за счет того, что ЦП должен был постоянно прерываться на выполнение небольших по размеру последовательностей команд для управления внешними устройствами. И появились, на самом деле это есть также вычислительные машины, специализированные устройства, которые называются каналами. Канал — это специализированная вычислительная машина, имеющая внутри себя, процессорный элемент и необходимую память. Канал обычно имеет следующую структуру: у него имеется высокоскоростной канал с памятью основной машины, управляющий канал для взаимодействия с ЦП и имеется некоторое количество каналов для подключения внешних устройств. Функция канала — выполнение макрокоманд, обеспечивающих ввод-вывод, то есть ЦП подает не последовательность команд (к примеру, такую как — включить шаговый двигатель МД, переместить головку на заданный цилиндр, дождаться нужного сектора, считать блок данных, проверить считанное и т.д.), а команду более общую (произвести обмен данными указанного объема с заданным устройством). Маленькие же команды (перемещение головок, ожидание сектора) выполняет уже канал. В некоторых случаях каналом может являться отдельная специализированная вычислительная машина. Именно с этого место следует особо подчеркивать терминологию — Центральный Процессор — это основной процессор, ибо помимо него может существовать множество вспомогательных процессоров, обеспечивающих работу с различными компонентами системы. Каналы же обеспечивают обмен с внешними устройствами. Таким образом каналы разгружают ЦП, при этом сами каналы могут быть достаточно интеллектуальны. Например, за счет собственной памяти в нем может быть организована буферизация, по аналогии с буферизацией при работе с ОЗУ. То есть информация может не сразу записываться на диск, а сосредотачиваться в некотором буфере. Это позволяет минимизировать количество физических обращений к запоминающему устройству, а следовательно, повысить скорость работы с ним. Соответственно, современные ЭВМ могут иметь множество таких каналов, которые помогают организовывать управление и забирают лишние функции у ЦП. Это, наверное, все, что можно или нужно было рассказать о работе с внешними устройствами. Все то, что было сказано — есть лишь небольшие ключики, которые позволяют: а) как-то классифицировать ВУ и понять, что хорошо, что плохо; б) постараться сформировать взгляд на все это, как на систему. |