спо Лекции 1 Особенности ВС как технической

спо Лекции 1

Особенности ВС как технической системы (ТС) • Универсальный обработчик (преобразователь) информации • Аппаратно-программная система • Сложная ТС со сложным описанием и большим объемом техдокументации • Человеко-машинная система • Массовость объектов ВС • ТС, функционирующая в условиях действий случайных факторов

Вычислительные системы (ВС) (средства) ВС АС ядро ЦП ОП СВВ ПО ПУ СПО основное СПО ППО системы программирова ния вперёд 3

Состав программного обеспечения. Программное обеспечение (ПО) делится на системное и прикладное. Обязательные части основного системного программного обеспечения: 1) Базовое ПО • операционная система • операционные оболочки - WINDOWS 3. Х, и т. д. – позволяют использовать графический и/ф, многозадачный режим, расширенное средство обмена информацией между различными программами • СОС • программные оболочки - NC, VC • драйверы Назад Вперёд 5

2)Сервисное ПО (вспомогательные или системные программы) • программы–диагностики компьютера • антивирусные программы • программы обследования дисков • программы архивирования • программы обследования сети • другое (утилиты, упаковщики, программы для создания резервных копий, коммуникационные программы (для доступа к сети, для электронной почты), DOSутилиты: для автономной печати, для управления памятью, программы динамического сжатия диска, кэширование диска, PRNSCR) Назад Вперёд 6

Системы разработки ПО 1) Средства для создания приложений (ПП) • языки и системы программирования • инструментальная среда разработки (отладчики, редакторы) 2) Средства разработки информационных систем (CASEтехнологии) • встроенные в систему реализации • независимые Содержание инструментальных систем: • транслятор; • отладчик; • текстовый редактор; • библиотеки (модули) программ. Назад Вперёд 7

ППП (ППО) • проблемно–ориентированные ППО (1 С) • методо–ориентированные (Matlab) • ППО общего назначения • интеллектуальные системы (интеллектуализированные экспертные системы) • АС – автоматизированные системы: АСУП (предприятием, производством, можно и 1 С отнести) АСУТП (техническими процессами) САПР (системы автоматизированного проектирования) АОС (автоматизированные обучающие системы) АИПС (автоматизированные информационно– поисковые системы) СУБД (системы управления базами данных) Системы мультимедиа и игры и другое. Назад Вперёд 8

• Области и способы применения вычислительных средств. • 1 Этап. Расчет отдельных научных задач. • 2 Этап. Моделирование процессов и их расчет. Ввод данных осуществляется на привычном для разработчика языке. • 3 Этап. Применение ЭВМ как составной части автоматизированных систем. • 4 Этап. Интеллектуализация автоматических систем. • Классы автоматизированных систем. • АСУП – автоматизированная система управления предприятием. • АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом. (стиральная машина). • САПР – системы автоматизированного проектирования. • АОС – автоматизированная обучающая система. • АИПС - автоматизированная информационно-поисковая система. • Системы мультимедиа. • Системы обработки графической и видео-информации.

Классы задач, решаемых на ЭВМ: НТ; Информационно-справочные; Управления объектами; САПР Обработки информации определенного вида: видео, аудио; • Игры. • • •

Виды информации и ее представление в ЭВМ • Числовая: бинарная(двоичная), целочисленная, • Действительные (вещественные) числа • графическая; • видео; • аудио; • текстовая; • электронные таблицы • БД • и т. д. • Иерархия данных Бит—байт—слово (поле) – запись – файл – БД – каталог (папка) – том -- диск

Операционные системы. Операционная система - набор программных средств, обеспечивающих возможность использования аппаратуры компьютера. Она является посредником между пользователем и аппаратными средствами. Назначение ОС - управление ресурсами и работой (аппаратура компьютера и информация). Задача ОС – разрешать конфликты, возникающие при доступе нескольких пользователей к ресурсам, и обеспечить эффективность управления. Цель ОС - сделать более удобную среду для пользователя, а также обеспечить наиболее эффективное использование аппаратных средств, что позволяет выполнять больший объем задач за меньшее время. Эти цели противоречивы. Назад Вперёд 12

Основные функции ОС: 1) управление работой аппаратных средств и каждого блока их взаимодействия; 2) управление выполнением программ; 3)организация хранения и управления информацией во внешней памяти; 4) взаимодействие пользователя с вычислительной системой (и/ф). Назад Вперёд 13

ОС взаимодействует с Субъекты Объекты : 1) Операторами ЭВМ(управляют текущей работой машины); 2) пользователями; 3)прикладными программистами; 4)системными программистами (обслуживает СПО); 5)системными и сетевыми администраторами; 6)аппаратными средствами; 7)программами. ОС имеет самый высокий приоритет доступа к ресурсам Назад Вперёд 14

Ресурсы под управлением ОС: процессоры (могут быть и многопроцессорные); • память (всех видов); • различные устройства; • информация. Функции компонентов управления ресурсами: • отслеживать состояние ресурса; • определять, кто получает, что, когда и сколько; • выделять ресурс; • освобождать ресурс. Назад Вперёд 15

Классификация ОС. • По количеству пользователей: 1. однопрограммные (однопользовательские. DOS); 2. многопрограммные, мультипрограммные системы – позволяют управлять одновременно несколькими заданиями, переключая процессор между ними (Windows); 3. мультипроцессорные системы – выполнение нескольких заданий, распределение их между процессами. • По типу доступа, предоставляемого пользователю: 1. системы с пакетной обработкой – загружают сразу несколько заданий последовательно; 2. системы с разделением времени (диалоговой режим работы) – должны обеспечивать минимальное время ответа; 3. система реального времени (при управлении объектами). Назад Вперёд 16

Классификация ОС (продолжение) • • • По назначению: ДОС (дисковые ОС) ОС мобильных ВС ОС малых ЭВМ ОС больших ЭВМ Серверные ОС – По виду и/ф пользователя: • • • система команд; язык общения с оператором; язык управления заданиями; меню (запрос–ответ и другие виды); графический и/ф.

Поколения ОС. • нулевое поколение - кон. 40 -х годов – ОС не было, все операции программировались в кодах в каждой программе, в т. ч. И операции ввода – вывода на уровне аппаратуры; • первое поколение – середина–конец 50 -х годов - однопрограммные системы, основная задача – переключение с одной задачи на другую (перфокарта); • второе поколение - нач. 60 -х годов системы с мультипрограммным режимом, реализовывались методы, позволяющие осуществить независимость программирования от внешних устройств. Появились системы реального времени; Назад Вперёд 18

Поколения ОС. • третье поколение - середина-конец 60 -х системы машин IBM 360/370, у нас в стране – ЕС ЭВМ. Они могли быть многопроцессорными, создавали мощную прослойку между программами и пользователями; • четвертое поколение – с сер. 70 -х годов графический и/ф, многотерминальность, мультипрограммность, многопользовательность. Возможность реализации виртуальных устройств. Назад Вперёд 19

Требования к современным ОС • Производительность; • надежность и отказоустойчивость; • безопасность (принцип защиты) – меры защиты модулей ОС от программ пользователей и влияния извне на программы, модули без соответствующего права доступа. Для защиты от взаимного влияния – принцип двухконтурности: либо модуль ОС, либо программа пользователя на процессоре. А для защиты от влияния извне – система ключей, паролей; • Хороший интерфейс и независимость программирования от устройств ВВ; • Универсальность: 1. переносимость (с одного типа на другой); 2. совместимость (возможность работы в сетевых системах совместно с другой ОС); 3. расширяемость – принцип открытости и наращиваемости (возможность дополнения ОС новыми функциями и возможностями). Назад Вперёд 20

Базовые концепции построения ОС • 1. Способ построения ядра системы • 2. ООП при построении системы • 3. Наличие нескольких прикладных программных сред • 4. Распределенная организация ОС

Основные принципы построения ОС. 1. принцип модульности. 2. принцип виртуализации; 3. частотный принцип 5. принцип функциональной избыточности 6. принцип "по умолчанию" 7. принцип перемещаемости 8. принцип независимости программ от внешних устройств 9. принцип функциональной избирательности (резидентные и транзитные программы); 10. принцип генерируемости – Назад Вперёд 22

Управление процессами. Процесс: • часть задания, это понятие многогранно. Задание состоит из шагов, а шаги распадаются на процессы; • вычисление, которое может быть выполнено параллельно с другими вычислениями; • программа в стадии выполнения; • асинхронная работа процессора; • "живая душа" процедуры; • концентрация средств управления для выполнения процедуры; • блок управления процессом в ОС; • объект, которому выделяются процессоры; • диспетчируемый модуль – тот, чтоб обслуживается диспетчером. Назад Вперёд 23

Обработка задачи ОС Входной пакет задачи Исходный модуль Данные Управляющие операторы Компиляция (интерпретатор)+ БИМ Редактирование связей + БОМ Загрузка Выполнение

Основные стадии обработки задания. Назад Вперёд 25

Компоненты ОС и их функции при обработке задания. • Предобработчик заданий – преобразует все предоставленные задания в удобную форму для планировщика заданий; • Планировщик заданий – учет всех заданий в системе, выбор заданий на обработку и создание соответствующего процесса; • Планировщик процессов – выбор одного из готовых процессов и назначение ему процессора; • Регулировщик – осуществляет учет состояний всех процессов в системе; изменение состояние процесса; синхронизацию между процессами; • Файловая система – управляет размещением информации и обменом с внешними носителями; • Программы системного ввода – модули управления ОП. Назад Вперёд 26

Архитектура ВС 0 - аппаратура 1 – ядро ОС – самый привилегированный уровень; 2 – вспомогательные модули ОС; 3 – ППО; 4 – пользовательские программы. 3 2 1 0 Назад Вперёд 27

Ядро ОС. Ядро – наиболее важная, часто используемая часть системы, размещаемая в основной памяти постоянно, называется резидентной. Ядро связано с управлением процессами. Структура ядра ОС • 1. Аппаратные средства • 2. Средства аппаратной поддержки ОС • 3. Машинно–зависимые компоненты (модули) ОС • 4. Базовые механизмы ядра • 5. Менеджеры ресурсов • 6. Интерфейс системных вызовов (API). • Структура условная, т. к. некоторые могут быть объединены, а некоторые – разделены. Назад Вперёд 28

Ядро всегда работает в привилегированном режиме, остальные элементы ОС и пользовательские программы – в пользовательском режиме. Назад Вперёд 29

Для изменения определенные затраты режима необходимы Назад Вперёд 30

Интерфейсы • GUI – Graphic Unit Interface – Графический пользовательский интерфейс • API – Application Program Interface – Прикладной программный интерфейс (интерфейс прикладного программирования) 31

Интерфейс прикладного программирования API Обслуживание запросов осуществляется с помощью системного вызова. Системный вызов – это вызов библиотечной функции ОС из программы пользователя или другой системной программы. • Системный вызов обращается к функциям API

Микроядерная архитектура В отличие от ядерной, в микроядерной архитектуре состав микроядра: • модули управления процессом • модули обработки прерываний • управление виртуальной памятью • модули пересылки сообщений • модули управления устройствами ВВ (частично) Он может колебаться – в одних более полным, в других – менее. Остальные модули оформляются в виде серверов. Сервер ОС – модуль, предназначенный для обслуживания запросов локальных приложений и других модулей ОС. Обслуживание запросов осуществляется с помощью системного вызова. Системный вызов – это вызов библиотечной функции ОС из программы пользователя или другой системной программы. Назад Вперёд 33

МЯ Назад Вперёд 34

Назад Вперёд 35

Совместимость ОС – возможность выполнять приложения на данной ОС, написанные на других ОС. Для обеспечения совместимости необходимы: • Двоичная совместимость – обеспечивается архитектурой компьютера и его системой команд; • Вызовы функции API, создающей приложения, должны поддерживаться новой ОС. • Внутренняя структура используемого файла должна соответствовать структуре файлов новой ОС. В случае несовместимости системы команд может быть использован эмулятор. • Совместимость исходных текстов на ЯВУ – необходимо: 1. соответствующий транслятор с ЯВУ 2. возможность обращения к библиотекам подпрограмм через соответствующий графический интерфейс другой ОС. Способы реализации прикладных программных сред: трансляция системных вызовов; трансляция своих вызовов через МЯ на ППС. Назад Вперёд 36

Способы реализации прикладных программных сред • 1. Прикладные программные среды, транслирующие системные вызовы • 2. Микроядерный подход к реализации множественных прикладных сред

Назад Вперёд 38

Назад Вперёд 39

Переносимость ОС. • Переносимость ОС – способность работать (быть переносимой) на другой аппаратной платформе; • ОС должна быть разделена на 2 части: • машинно–зависимая часть на ассемблере; • машинно–независимая часть на ЯВУ (С++); • Правила для обеспечения переносимости: • 1. Большая часть кода должна быть написана на ЯВУ, транслятор которого есть на ЭВМ, на которую предполагается переносить ОС; • 2. Объем машинно–зависимых частей кодов должен быть минимизирован; • 3. Аппаратно–зависимый код должен быть надежно изолирован в небольшом количестве модулей.

Сетевые ОС • Схемы сети: – Одноранговая – С выделенными серверами – Гибридная 41

Назад Вперёд 42

Назад Вперёд 43

Назад Вперёд 44

Схема компонентов ОС при взаимодействии компьютеров Редиректор определяет последовательность обслуживания. Назад Вперёд 45

Технологии • Файл-сервер • Клиент-сервер 46

Аппаратные средства поддержки ОС • • • типовые средства Средства поддержки привилегированного режима; Система прерываний; Средства трансляции (преобразования) адресов; Средства переключения процессов; Системный таймер; Средства защиты областей памяти.

Структурная схема ЭВМ

Структура команды КОП Адр1 опд Адр2 опд Адр. Рез Адр. След. Кд a: = b c Вместо следующей команды используется Регистр–Счетчик Команд. Адрес результата записывается на место 1 -го операнда. Назад Вперёд 49

Системы команд • CISC ( «комплексная система команд компьютера» – Intel, AMD) – большое количество команд – более 200; – команды имеют разную длину; • RISC ( «сокращенная система…» – HP) + одинаковая и небольшая длина команд (2 Б); + регистровая адресация; + малое число команд – около 100; – длина программы по количеству команд больше в 2– 3 раза. • VLIW - очень длинное командное слово • EPIC – команды, предназначенные для параллельного выполнения; наиболее интересны в существующее время + эффективность при параллельной, конвейерной обработке; + возможность хорошей трансляции на ЯВУ. Назад Вперёд 50

Алгоритм обработки команды 1. выборка команды – из памяти выбираются команды и помещаются в Рг. Кд; 2. распаковка команды (на части) – после этого изменяется Рг. Сч. Кд; 3. выборка операндов; 4. выполнение операции; 5. запись результата. Процесс выборки из памяти 1. Адрес из Рг. Сч. Кд выставляется на ш. А в Рг. А, одновременно подается сигнал чтения из ОП на ШУ. 2. Память выполняет чтение из ячеек и передает информацию на Рг. Д, одновременно на ШУ выставляется сигнал готовности данных. 3. Затем данные поступают из Рг. Д в Рг. Кд. Назад Вперёд 51

Изменение при выполнении команды ВВ (устройства ВВ) (7 периферийных устройств) 1. При распаковке команды определяется № устройства. Запрос о наличии такого устройства. 2. При работе с устройством – выставляет адрес (номер) устройства (265 – 65535). Все устройства имеют номера и задаются 2 байтами. Этот номер доступен всем устройствам. 3. Устройство, номер которого совпадает с заданным, выставляет на ШУ сигнал отклика (одно устройство). 4. Центральный процессор выставляет на шину данных команду для устройства, а на шину управления – сигнал о выставленной кд. 5. выбранное устройство подтверждает прием кд, выставляет сигнал на ШУ. 6. Центральный процессор, получив это подтверждение, переходит к следующей кд, когда он перешел, может оказаться, что подтверждение еще не пришло. 7. В мультипрограммном режиме центральный процессор может перейти к выполнению другого потока программы. 52 Назад Вперёд

Структура персонального компьютера.

Архитектура IBM PC • Регистровая память содержит: • 8 регистров общего назначения (РОН) разрядностью 32 бита (в старых моделях Intel – 16); • 6 сегментных регистров разрядностью 16 бит • регистр смещения команды разрядностью 32(16) бита • регистр флагов разрядностью 32 (16) бита • регистры для работы операционной системы разрядностью 32 бита • регистры специализированных арифметических блоков разрядностью 32 бита

Регистры процессора Intel Имя Rg новое EAX EBX ECX EDX ESI EDI ESP EBP Разряды(бит ы) 31 16 Имя 15 8 AН 7 0 AL BH CH DH BL CL DL Rg старое AX BX CX DX

Сегментные регистры. • • • CS - Сегмент КОДа SS - Сегмент СТЕКа DS - Сегмент ДАННЫХ ES - Дополнительные Сегменты Данных FS - Дополнительные Сегменты Данных GS - Дополнительные Сегменты Данных Разрядность 15 0 В сегментных регистрах хранятся начальные адреса соответствующих сегментов.

Регистры процессора Intel. Биты регистра флагов EFLAGS: 0 – CF – признак переноса 1 – =1 2 – PF – признак четности 3 -- =0 4 – AF – признак полупереноса 5 -- =0 6 – ZF – признак нуля 7 – SF – признака 8 – TF – признак трассировки 9 – IF – признак разрешения прерывания Interrupt Enable flag. Маскирует внешние аппаратные прерывания 10 – DF – признак направления 11 – OF – признак переполнения 12, 13 – IOPL – уровень привилегий ВВ I/O Privilege Level (PL); 14 – NT – признак вложенной задачи Nested Task flag (при вызове командой CALL) • 15 -- =0 • • • •

Биты регистра флагов EFLAGS: 16 - RF - признак маскирования ошибок отладки 17 - VM - признак режима виртуального 8086 18 - AC - признак контроля выравнивания 19 - VIF - признак разрешения обслуживания виртуального прерывания • 20 - VIP - признак запроса виртуального прерывания • 21 - ID - признак допустимости идентификации • 22 – 31 -- ==0 • • 58

Регистры процессора Intel. Биты регистра флагов EFLAGS: 16 – RF – признак маскирования ошибок отладки 17 – VM – признак режима виртуального 8086 Virtual 8086 Mode 18 – AC – признак контроля выравнивания 19 – VIF – признак разрешения обслуживания виртуального прерывания • 20 – VIP – признак запроса виртуального прерывания • 21 – ID – признак допустимости идентификации • 22 – 31 --- = = 0 • • • Важные биты некоторых регистров: CR 0[31] = PG - Бит, который включает Paging. CR 0[0] = Protect Enable. Бит переключения процессора в защищённый режим.

Обработка прерываний. Все взаимодействие между устройствами ЭВМ идет на основе прерываний. Прерывание – это событие, при котором меняется нормальная последовательность команд, выполняемых процессом. Для обработки прерываний существуют специальные средства: аппаратные и программные. Частично это выполняет ядро, но лишь в минимальной степени. ПРЕРЫВАНИЯ ПРОГРАММНЫЕ (команды INT n, INTO, INT 3) МАСКИРУЕМЫЕ (сигнал INTR) АППАРАТНЫЕ (по сигналам LINTO/INTR, LINTI/NMI) НЕМАСКИРУЕМЫЕ (сигнал INTR) ИСКЛЮЧЕНИЕ (от внутренних блоков процессора) ЛОВУШКИ ОШИБКИ Назад ОТКАЗЫ Вперёд 60

Прерываемая программа t 1 Запрос на прерывание t 2 Ядро ОС t 3 t 5 t 4 Программа обработки прерываний Назад Вперёд 61

Типы прерываний для больших ЭВМ типа ЕС или IBM 360/370: • прерывания при обращении к супервизору, т. е. ядру ОС, его центральной части; • прерывания ввода/вывода; • внешнее прерывание; • прерывания по контролю программ (некорректная работа, деление на ноль, нарушение защиты памяти и т. п. ) • прерывания по ”Reset” • прерывания от схем контроля. Особенности обработки прерываний: • текущее PSW одно (PSW – слово состояния программы); • старые PSW – 6 (по типам прерываний); • новые PSW – 6. Система прерываний больших ЭВМ иерархична. Программа обработки прерываний может быть приостановлена другим прерыванием. Назад Вперёд 62

Маска Ключ Флаж системы защиты ки прерывани й 0 7 8 11 12 15 ICL CC Код Маска Адрес прерыва программ кода ния ных данны прерыван 40 х 16 32 36 31 33 34 35 63 ий 39 Назад Вперёд 63

Прерывания IBM PC. Существуют прерывания BIOS (0 - 1 F)и прерывания DOS (20 - FF). • Аппаратные прерывания от внешних устройств: - отказ питания; - таймер; - клавиатура; - адаптер связи; - НГМД; - прочие. • Логические прерывания (от микропроцессора): - 4 - переполнение; - 1 - пошаговый режим; - 3 - достижение контрольной точки. • Программные прерывания. Назад Вперёд 64

Схема движения информации при обработке прерываний. В IBM PC память делится на сегменты. Максимальный объем сегмента равен 64 КБ. Для указания адреса требуется IP - смещение относительно начала сегмента и CS - начало адреса сегмента. CS + IP = реальный адрес. 000 Таблица векторов прерываний (1 00 Кбайт) Программа обработки прерываний – заканчивается IRET (общее это INT 21 H) FFF Программа пользователя. Также FF есть обращение к прерыванию INT 21 H Назад Вперёд 65

FFFFF CS IP INT 21 H Программа обработки прерываний INT 21 H 00000 CS и IP IRET Таблица векторов Назад Вперёд 66

Переключение с задачи на задачу При переключении задачи действует механизм селектора CALL. Он указывает на дескриптор системного сегмента TSS. Этот дескриптор хранится в GDT. В ней хранятся дескрипты сегментов всех запущенных задач. Дескриптор хранит адрес сегмента задачи. 15 11 0 3 Index TI 2 0 RPL – указывает разрядный уровень привилегий; TI – таблица; Index – 12 разрядов 4 К; TSS – содержит контекст задачи, т. е. информацию, которая нужна для восстановления выполнения прерванной в произвольный момент времени задачи. Назад Вперёд 67

31 16 15 0 Селектор TSS возврата Резерв ESP 0 Резерв SS 0 ESP 1 Резерв SS 1 ESP 2 Резерв SS 2 +64 CR 3 EIP EFLAGS EAX, EBX, ECX, EDX ESP, EBP, ESI, EDI ES, CS, SS, DS, FS, GS (сегментные регистры) +64 Резерв Относительный адрес БКВВ Дополнительная информация для ОС Битовая карта обслуживания прерываний Битовая карта ВВ Резерв Назад 32 Вперёд 68

Алгоритм переключения задач • • При переключении задач процессор выполняет следующие действия: 1. Выполняется команда САLL селектор которой указывает на дескриптор сегмента типа ТSS. Происходит проверка прав доступа, успешная при СРL < DPL. 2. В ТSS текущей задачи сохраняются значения регистров процессора. На текущий сегмент ТSS указывает регистр процессора ТR, содержащий селектор сегмента. 3. В ТR загружается селектор сегмента ТSS задачи, на которую переключается процессор. 4. Из нового ТSS в регистр LDTR переносится значение селектора таблицы LDТ задачи в таблице GDТ. 5. Восстанавливаются значения регистров процессора (из соответствующих полей нового сегмента ТSS). 6. В поле селектора возврата нового сегмента ТSS заносится селектор сегмента ТSS снимаемой с выполнения задачи для организации возврата к ней в будущем.

• •