Вычислительная система

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ»

 

Зеленодольский институт машиностроения и информационных технологий (филиал) КНИТУ-КАИ

Кафедра машиностроения и информационных технологий

 

ЛЕКЦИИ

дисциплины

Системное программное обеспечение

 

Индекс по учебному плану: Б1.В.ДВ.08.02

Направление подготовки: 09.03.01 Информатика и вычислительная  техника

Квалификация: Бакалавр

Профиль подготовки: Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

Виды профессиональной деятельности:

проектно-конструкторская;

проектно-технологическая;

Монтажно-наладочная;

 

 

Зеленодольск 2016 г.

Оглавление

Лекция 1. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ СИСТЕМНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ.. 5

1.1. Вычислительная система. 5

1.2. Системное и прикладное программное обеспечение. 8

1.3. Состав системного программного обеспечения вычислительных систем 10

1.4. Место компонентов системного программного обеспечения в вычислительных системах. 13

1.5. Поколения компьютеров и эволюция средств аппаратной поддержки СПО 19

Лекция 2. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА 26

2.1. Конфигурации персональных компьютеров. 26

2.2. Базовая система ввода–вывода – BIOS. 28

2.2.1. Функции BIOS. 28

2.2.2. Обращение к программам BIOS. 31

2.3. Процессор. 32

2.3.1. Процессоры семейства Intel: обзор основных возможностей. 32

2.3.2. Режимы работы процессора. 34

2.4. Внутренняя память. 37

2.4.1. Компоненты внутренней памяти. 37

2.4.2. Организация физического ОЗУ.. 39

2.4.3. Типы адресов. 41

2.5. Внешняя память. 42

Лекция 3. Контроллер прерываний, таймер и порты.. 46

3.1. Контроллер прерываний. 46

3.1.1. Классификация прерываний. 46

3.1.2. Аппаратные прерывания. 47

3.1.3. Назначение контроллера прерываний. 48

3.1.4. Программирование контроллера прерываний. 49

3.1.5. Механизм обслуживания прерываний (реальный режим процессора) 50

3.1.6. Обработка прерываний в защищенном режиме процессора. 52

3.2. Таймер. 53

3.2.1. Назначение таймера и его регистров. 53

3.2.2. Использование таймера в прикладных программах. 54

3.3. Параллельный порт. 55

3.3.1. Основные сведения об устройстве. 55

3.3.2. Регистры параллельного порта. 58

3.3.3. Работа с LPT–портом в прикладных программах. 59

3.4. Последовательный порт. 59

3.4.1. Формат асинхронной последовательной передачи данных. Основные сведения об устройстве. 59

3.4.2. Назначение линий 9–контактных разъемов интерфейса RS–232–C 61

3.4.3. Коммутация компьютеров через интерфейс RS–232–C.. 62

3.4.4. Параметры линии связи. 63

3.4.5. Ошибки приема–передачи: причины и методы их устранения 64

3.4.6. Регистры асинхронного адаптера. 65

3.4.7. Программное и аппаратное управление потоком приема/передачи данных. 67

3.5. Устройства мультимедиа. 69

Лекция 4. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ.. 73

4.1. Функции операционной системы в вычислительной системе. 73

4.2. Классификация операционных систем. 76

4.3. Архитектура операционных систем. 83

4.4. Операционные системы реального времени (ОСРВ) 89

4.5. Эволюция и краткий обзор операционных систем. 93

Лекция 5. УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСАМИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 97

5.1. Понятие «ресурс» и виды ресурсов. 97

5.2. Управление загрузкой процессора в мультипрограммных ОС.. 98

5.3. Операции над процессами. Взаимодействие процессов. 104

5.4. Управление потоками. Средства синхронизации потоков. 106

Лекция 6. Управление памятью.. 113

6.1. Функции ОС по управлению памятью.. 113

6.2. Управление памятью в приложениях. 114

6.3. Управление устройствами ввода–вывода данных. 120

6.4. Управление файловой системой. 128

Лекция 7. Языки программирования. 134

Интерфейсы прикладного программирования. 144

Использование Win32 API 150

Лекция 8. Инструментальные средства разработки программ. 151

Инструментальные средства программирования Microsoft Visual Studio 155

 

 

Лекция 1. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ СИСТЕМНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Особое внимание уделено определению понятия «системное программное обеспечение», из каких программ функционального назначения оно состоит, а также месту, занимаемому системным программным обеспечением в структуре вычислительных систем. В первую очередь рассмотрим, что означает само понятие «вычислительная система».

Вычислительная система

Термин «вычислительная система» (ВС) появился в середине 60-х годов ХХ века как следствие новых технологических решений в области обработки информации. В первую очередь это разделение процессов обработки информации на параллельные ветви, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов компьютеров. Термин «вычислительная система» не имеет единого толкования в литературе. К примеру, по одному из определений под вычислительной системой надо понимать «комплекс программно– аппаратных средств, предназначенных для обработки информации на вычислительных машинах в конкретной предметной области». Данное определение применимо и к однопроцессорным компьютерам, по ряду причин способным работать только в однопрограммном режиме. Понятие «вычислительная система» шире и глубже.

Одним из важнейших путей повышения производительности вычислительных машин, их эффективности и надежности является использование различных форм параллелизма в функционировании вычислительного оборудования. Поэтому определяющим свойством ВС является не просто возможность обработки информации в предметной области, а возможность построения параллельных ветвей в вычислениях, совмещения операций, что не могло быть реализовано в машинах, созданных в 50–x годах из–за несовершенства элементной базы (первое поколение компьютеров).

Идеи об использовании принципа совмещения операций в целях повышения быстродействия вычислительных машин, а также об объединении машин и создании многопроцессорных систем с общей основной памятью высказал академик С. А. Лебедев на сессии Академии наук СССР еще в 1957 году. Приведем некоторые выдержки из его доклада (фрагмент из книги Головкин, Б.А. Параллельные вычислительные системы / Б.А. Головкин. – М.: Наука, 1980):

«Некоторые возможности повышения скорости электронных вычислительных машин имеются… в случае использования принципа совмещения операций. Выполнение арифметических действий в значительной мере может быть совмещено по времени с обращением к памяти. При этом можно отказаться от стандартного цикла выполнения операций, когда вызов следующей команды производится после отсылки результата в запоминающее устройство, а производить выборку команд перед отсылкой результатов в запоминающее устройство… Благодаря такому изменению цикла работы машины на выполнение арифметического действия… дополнительно добавляется время, идущее на вызов следующей команды.

Возможно ускорение работы машины за счет вызова команд и чисел по двум независимым каналам, что также может дать сокращение времени…

Одним из возможных путей для решения таких задач (имеются в виду многомерные задачи математической физики – примечание автора) может явиться параллельная работа нескольких машин, объединенных одним общим дополнительным устройством управления, с обеспечением передачи кодов чисел с одной машины на другую. Однако может оказаться более целесообразным применение параллельно работающих отдельных устройств машины. В такой машине должна иметься общая основная «память» для хранения чисел и команд, необходимых для решения задачи. Из этой «памяти» числа и команды, для решения того или иного этапа задачи, поступают на ряд сверхбыстродействующих запоминающих устройств сравнительно небольшой емкости. Каждое такое сверхбыстродействующее запоминающее устройство связано со своим арифметическим устройством. Эти устройства имеют свое индивидуальное управление. Помимо этого, должно быть предусмотрено общее управление всей машиной в целом».

За сравнительно короткий по меркам истории срок, но очень большой для вычислительной техники, многие из идей С.А. Лебедева были реализованы в современных компьютерных системах. Это многопроцессорные и распределенные вычисления, упреждающее чтение команд, разделение системной магистрали на несколько независимых шин и даже многоуровневая организация оперативной памяти компьютеров.

Таким образом, вычислительные системы – это параллельные системы. Даже в современном однопроцессорном персональном компьютере выполняется множество параллельных процессов: жесткий диск и сетевой интерфейс передают данные, пользователь работает с устройствами ввода информации и при этом часто смотрит кино или слушает музыку. Результат всегда один – экономия времени.

Основой для классификации ВС является реализуемая форма параллелизма в организации вычислительно процесса.

Классификация ВС по режиму работы. По режиму работы ВС делятся на однопрограммные и мультипрограммные. В однопрограммных ВС в память машины загружается одна рабочая программа. В противоположность этому принципу мультипрограммные ВС выполняют одновременно несколько программ или несколько программ параллельно в режиме разделения времени.

Классификация ВС по режиму обслуживания. Различают:

режим индивидуального пользования. Компьютер предоставляется полностью в распоряжение пользователя, по крайней мере, на время решения его задачи. Пользователь имеет непосредственный доступ к машине и имеет право осуществлять операции ввода–вывода;

режим пакетной обработки. Пользователь не имеет непосредственного доступа к ВС, подготовленные им программы передаются персоналу, обслуживающему систему, и затем накапливаются во внешней памяти. Система по расписанию выполняет накопленный пакет программ;

режим коллективного пользования (многопользовательский режим) – это форма обслуживания, при которой возможен доступ нескольких пользователей к вычислительным ресурсам мощного компьютера. Каждому пользователю предоставлен терминал, с помощью которого он устанавливает связь с системой коллективного пользования.

 

Классификация ВС по количеству процессоров. По количеству процессоров (машин), входящих в состав ВC, различают однопроцессорные, многопроцессорные, многомашинные. Последние две создаются для повышения производительности и надежности ВС.

По особенностям территориального размещения и организации взаимодействия частей ВС различают территориально– рассредоточенные (глобальные) и локальные сети компьютеров.

По особенностям функционирования ВС во времени различают ВС общего назначения и системы реального времени. Если для первой категории ВС время реакции на запрос пользователя не столь критично, то для второй категории это время является важнейшей характеристикой системы. Такие ВС предназначены для управления физическими экспериментами, технологическими процессами, летательными аппаратами, где очень важна немедленная реакция на события, возникающие в объекте управления.

В соответствии с используемой формой представления информации компьютеры делятся на два класса: непрерывного действия – аналоговые и дискретного действия – цифровые. На основе двух названных классов создаются гибридные вычислительные системы.

В пособии основное внимание уделено системному программному обеспечению персональных компьютеров. Сегодня аппаратное обеспечение персональных компьютеров настолько мощное, что приложения, которые еще совсем недавно могли работать лишь на больших дорогих системах в «машинном зале», теперь выполняются на ПК. Что касается стандартных функций больших систем, то они также переносятся в операционные системы персональных компьютеров, в том числе процедуры защиты, свойственные многопользовательским системам.

В соответствии с приведенной классификацией персональный компьютер можно определить как мультипрограммную вычислительную систему общего назначения, использующую один центральный процессор, и предназначенную в основном, для индивидуальной работы пользователей. Нельзя не вспомнить, что типичный современный персональный компьютер, кроме центрального процессора, обычно имеет и специализированный видеопроцессор. Печатающие устройства также имеют процессоры, которые интерпретируют команды языка управления принтером (Postscript), есть процессоры в модемах и во многих других периферийных устройствах. Другими словами, персональный компьютер – параллельная вычислительная система.