Учебное пособие по информатике 2014. Основы информатики
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
NTFS (New Technology File System — «файловая система новой технологии») — стандартная файловая система для семейства современных версий операционных систем Microsoft Windows (начиная от NT). NTFS заменила использовавшуюся в MS-DOS и Microsoft Windows файловую систему FAT. NTFS поддерживает систему метаданных и использует специализированные структуры данных для хранения информации о файлах для улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства. NTFS хранит информацию о файлах в главной файловой таблице — Master File Table (MFT). NTFS имеет встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей (списки контроля доступа — Access Control Lists (ACL)), а также назначать квоты (ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или иными пользователями). NTFS использует систему журналирования USN для повышения надёжности файловой системы. NTFS разработана на основе файловой системы HPFS (High Performance File System — высокопроизводительная файловая система), создававшейся Microsoft совместно с IBM для операционной системы OS/2. Но, получив такие несомненно полезные новшества, как квотирование, журналируемость, разграничение доступа и аудит, в значительной степени утратила присущую прародительнице (HPFS) весьма высокую производительность файловых операций. Extended File System (расширенная файловая система), сокращённо ext или extfs — первая файловая система, разработанная специально для ОС на ядре Linux. Представлена в апреле 1992 г.для ядра Linux 0.96c. Ext является первой версией расширенной файловой системы. Second Extended File System (вторая расширенная файловая система), сокращённо ext2. По скорости и производительности работы она может служить эталоном в тестах производительности файловых систем. Главный недостаток ext2 (и одна из причин демонстрации столь высокой производительности) заключается в том, что она не является журналируемой файловой системой. Он был устранён в файловой системе ext3 — следующей версии Extended File System, полностью совместимой с ext2. Файловая система ext2 по-прежнему используется на флеш-картах и твердотельных накопителях (SSD), так как отсутствие журналирования является преимуществом при работе с накопителями, имеющими ограничение на количество циклов записи. Third Extended File System (третья версия расширенной файловой системы), сокращённо ext3 или ext3fs — журналируемая файловая система, используемая в операционных системах на ядре Linux, является файловой системой по умолчанию во многих дистрибутивах. 196 Основное отличие от ext2 состоит в том, что ext3 журналируема, то есть в ней предусмотрена запись некоторых данных, позволяющих восстановить файловую систему при сбоях в работе компьютера. Fourth Extended File System (четвёртая версия расширенной файловой системы), сокр. ext4, или ext4fs — журналируемая файловая система, используемая в ОС с ядром Linux. Основана на файловой системе ext3, которая является файловой системой по умолчанию во многих дистрибутивах GNU/Linux. Основной особенностью стало увеличение максимального объёма одного раздела диска до 1 эксбибайта (2 60 байт) при размере блока 4Kb, и увеличение размера одного файла до 16 тебибайт. Кроме того, в ext4 представлен механизм пространственной (extent) записи файлов (новая информация добавляется в конец заранее выделенной по соседству области файла), уменьшающий фрагментацию и повышающий производительность. 5.3 Принципы организации ЭВМ Обработка информации и представление результатов обработки в удобном для человека виде производится с помощью вычислительных средств. Научно-технический прогресс привел к созданию разнообразных вычислительных средств: электронных вычислительных машин (ЭВМ), вычислительных систем, вычислительных сетей. Они различаются структурной организацией и функциональными возможностями. Дать определение такому явлению, как ЭВМ, представляется сложным. Достаточно сказать, что само по себе название ЭВМ, т.е. электронные вычислительные машины, не отражает полностью сущность концепции. Слово «электронные» подразумевало электронные лампы в качестве элементной базы, современные ЭВМ правильнее следовало бы называть микроэлектронными. Слово «вычислительный» подразумевает, что устройство предназначено для проведения вычислений, однако анализ программ показывает, что современные ЭВМ не более 10 – 15% времени тратят на чисто вычислительную работу - сложение, вычитание, умножение и т.д. Основное время затрачивается на выполнение операций пересылки данных, сравнения, ввода-вывода и т.д. То же самое относится и к англоязычному термину «компьютер», т.е. «вычислитель». К понятию ЭВМ можно подходить с нескольких точек зрения. Представляется разумным определить ЭВМ с точки зрения ее функционирования. Целесообразно описать минимальный набор устройств, который входит в состав любой ЭВМ, и тем самым определить состав минимальной ЭВМ, а также сформулировать принципы работы отдельных блоков ЭВМ и принципы организации ЭВМ как системы, состоящей из взаимосвязанных функциональных блоков. Если же рассматривать ЭВМ как ядро некоторой информационно- вычислительной системы, может оказаться полезным показать 197 информационную модель ЭВМ – определить ее в виде совокупности блоков переработки информации и множества информационных потоков между этими блоками. Принципы фон-Неймана. Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским ученым, одним из «отцов» кибернетики Дж. фон Нейманом. Впервые эти принципы были опубликованы фон Нейманом в 1945 г. в его предложениях по машине EDVAC. Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой программой, т.е. с программой, запомненной в памяти машины, а не считываемой с перфокарты или другого подобного устройства. В целом эти принципы сводятся к следующему: 1) Основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода- вывода (рисунок 5.11). Рисунок 5.11 – Обобщенная структурная схема ЭВМ: УПД – устройство подготовки данных, УВВ – устройство ввода информации, ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, ВЗУ – внешнее запоминающее устройство, АЛУ – арифметико-логическое устройство, УУ – устройство управления, ПУ – пульт управления, Увыв – устройство вывода 2) Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами. 3) Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова УПД УВВ АЛУ ВЗУ ОЗУ ПУ УВыв УУ Пе рви чн ая ин форма ци я Маш ин ный нос ит ель Результаты 198 называются командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, называется программой. 4) Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования. 5) Устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. Они определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой. Принципы фон-Неймана практически можно реализовать множеством различных способов. Перед тем как описать принципы функционирования ЭВМ, введем несколько определений. Архитектура ЭВМ - абстрактное определение машины в терминах основных функциональных модулей, языка, структур данных. Архитектура не определяет особенности реализации аппаратной части ЭВМ, времени выполнения команд, степени параллелизма, ширины шин и других аналогичных характеристик. Архитектура отображает аспекты структуры ЭВМ, которые являются видимыми для пользователя: систему команд, режимы адресации, форматы данных, набор программно- доступных регистров. Одним словом, термин «архитектура» используется для описания возможностей, предоставляемых ЭВМ. Весьма часто употребляется термин конфигурация ЭВМ, под которым понимается компоновка вычислительного устройства с четким определением характера, количества, взаимосвязей и основных характеристик его функциональных элементов. Термин «организация ЭВМ» определяет, как реализованы возможности ЭВМ. Команда - совокупность сведений, необходимых процессору для выполнения определенного действия при выполнении программы. Команда состоит из кода операции, содержащего указание на операцию, которую необходимо выполнить, и нескольких адресных полей, содержащих указание на места расположения операндов команды. Способ вычисления адреса по информации, содержащейся в адресном поле команды, называется режимом адресации. Множество команд, реализованных в данной ЭВМ образует ее систему команд. Гарвардская архитектура. Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: 1.выборку двух операндов, 2.выбор инструкции и её выполнение, 3.и, наконец, сохранение результата. Идея такой архитектуры заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для 199 хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера. В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не требуется иметь общими. В частности, ширина слова, тайминги, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В некоторых системах инструкции могут храниться в памяти только для чтения, в то время как для сохранения данных обычно требуется память с возможностью чтения и записи. В некоторых системах требуется значительно больше памяти для инструкций, чем памяти для данных, поскольку данные обычно могут подгружатся с внешней или более медленной памяти. Такая потребность увеличивает битность (ширину) шины адреса памяти инструкций по сравнению с шиной адреса памяти данных. Отличие от архитектуры фон Неймана В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину, тогда как в компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы), поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и тот же канал памяти. Также машина гарвардской архитектуры имеет различные адресные пространства для команд и данных. Так, нулевой адрес инструкций — это не то же самое, что и нулевой адрес данных. Нулевой адрес инструкций может определятся двадцатичетырехбитным значением, в то время как нулевой адрес данных может выглядеть как восьмибитный байт, который не являются частью этого двадцатичетырехбитного значения. Модифицированная гарвардская архитектура Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти вдвое больше выводов, так как шина адреса и шина данных составляют основную часть выводов микропроцессора. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общие шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой. Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Ещё дальше по пути уменьшения стоимости пошли при создании однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина команд и данных применяется и внутри кристалла. 200 Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти. Расширенная гарвардская архитектура Часто требуется выбрать три составляющие : два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная Гарвардская архитектура. Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура. Рисунок 5.12 – Архитектура процессора ADSP-21061 Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана Существуют гибридные архитектуры, сочетающие достоинства как Гарвардской так и фон Неймановской архитектур. Современные CISC- процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один рабочий такт получать одновременно и команду, и данные для её выполнения. То есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но программно оно фон Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных 201 шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры ещё более близкими к фон Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры. Функционирование ЭВМ с шинной организацией Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. В соответствии с приведенными выше принципами фон-Неймана подобная ЭВМ имеет в своем составе следующие функциональные блоки (рисунок 5.13). Рисунок 5.13 – Упрощенная схема ЭВМ с шинной организацией Центральный процессор Арифметико-логическое устройство Регистровая память Регистр флагов Выполняемая операция Арифметико-логическое устройство Программный счетчик Регистр адреса Регистр команды Генератор тактовой частоты Пульт управления Адрес Данные Управление Ячейка 1 Ячейка 2 Ячейка 3 Ячейка n Память Адрес Данные Управление Порт 1 Порт 2 Порт 3 Порт n Порты устройств ввода- вывода Шина адреса Шина данных Шина управления 202 Центральный процессор (ЦП) - функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей. Центральный процессор состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие ЭВМ автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов. Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из сотен тысяч элементов. Микросхемы имеют высокую плотность и быстродействие. На современном технологическом уровне все АЛУ можно разместить на одном кристалле полупроводникового элемента размером значительно меньше головки спички. Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.). Выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром. Отметим пока, что отдельные разряды этого регистра указывают на равенство результата операции нулю, знак результата операции (+ или -), правильность выполнения операции (наличие переноса за пределы разрядной сетки или переполнения). Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных. Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора. Регистры составляют основу архитектуры процессора. Среди обязательного набора регистров можно отметить следующие. Регистр данных - служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций. Регистр-аккумулятор - регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений (например, в нем формируется результат выполнения команды умножения). Регистр-указатель стека - используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел - первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Пока отметим только, что стеки используются для организации подпрограмм. Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти. Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах. Регистры общего 203 назначения, имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей. Точное назначение такого регистра определяет программист при написании программы. Они могут использоваться для временного хранения данных, в качестве аккумуляторов, а также в качестве индексных, базовых, указательных регистров. Количество регистров и связей между ними оказывает существенное влияние на сложность и стоимость процессора. Однако, с другой стороны, наличие большого количества регистров с богатым набором возможностей упрощает программирование и повышает гибкость программного обеспечения. Кроме перечисленных регистров в состав АЛУ могут входить внутренние системные регистры, не доступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд. Устройство управления (УУ) - часть центрального процессора. Оно вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд. На этапе цикла выборки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из программной памяти. На этапе выполнения команды в соответствии с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор команд низкого уровня для арифметико- логического устройства и других устройств. Эти команды задают последовательность простейших низкоуровневых операций, таких, как пересылка данных, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др. Такие элементарные низкоуровневые операции называют микрооперациями, а команды, формируемые устройством управления, называются микрокомандами. Последовательность микрокоманд, соответствующая одной команде, называется микропрограммой. В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства - регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения, программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды, регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти. Для связи пользователя с ЭВМ предусмотрен пульт управления, который позволяет выполнять такие действия, как сброс ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра или ячейки памяти, запись адреса в программный счетчик, пошаговое выполнение программы при ее отладке и т.д. Память (ПАМ) - устройство, предназначенное для запоминания, хранения и выборки программ и данных. Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер или адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса. Память способна выполнять два вида операций над данными - чтение с сохранением содержимого и запись нового значения со стиранием предыдущего. Как уже говорилось выше, каждая ячейка памяти может использоваться для хранения либо порции данных, либо команды. В большинстве современных ЭВМ минимально адресуемым элементом памяти является байт - поле из 8 бит. Совокупность 204 битов, которые арифметико-логическое устройство может одновременно поместить в регистр или обработать, называют обычно машинным словом. Оперативная память (ОП) - функциональный блок, хранящий информацию для УУ (команды) и АЛУ (данные). Задачи, решаемые с помощью ЭВМ, требуют хранения в памяти различного количества информации, зависящего от сложности реализуемого алгоритма, количества исходных данных и т.п. Поэтому память должна вмещать достаточно большое количество информации, т.е. должна иметь большую емкость. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств ЭВМ. Чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, так как время доступа (т.е. быстродействие) определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в ЭВМ существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием. Оперативная память собирается на полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек. Периферийные устройства (ПУ). В их число входят устройства двух типов: устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром (с пользователем, другими ЭВМ и т.д.). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода. Порт (в переводе с англ, port - ворота, дверь, отверстие) - это абстрактное понятие, на самом деле несуществующее. По аналогии с ячейками памяти порты можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать в ПУ, или, наоборот, прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера - адреса портов ввода-вывода. Система шин. Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством следующей системы шин: шины данных, по которой осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ, шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение), и шины управления для передачи управляющих сигналов. Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом. Состав и назначение шин и правило их использования, виды передаваемых по шине сигналов и другие характеристики шины могут существенно различаться у разных видов ЭВМ. Однако есть принципиально общие закономерности в организации шин. Шина состоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической 1, а отсутствие импульса - 0), либо уровнем напряжения (например, высокий уровень - логическая 1 , низкий - 0). Шириной шины называется количество линий (проводников), входящих в состав шины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства ЭВМ. Если, например, количество линий адреса, используемых для адресации памяти, равно 20, то общее количество 205 адресуемых ячеек памяти составит 2 20 , т.е. примерно, один миллион ячеек (точнее, 1 048 576 ячеек). Функционирование ЭВМ с шинной структурой можно описать следующим обобщенным алгоритмом (рисунок 5.14): Рисунок 5.14 – Обобщенный алгоритм функционирования фон-неймановской ЭВМ |