Место компонентов системного программного обеспечения в вычислительных системах

Структура ВС – это описание состава, связей и интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие основных функциональных компонентов ВС. Под иерархической структурой системы обычно понимают такую структуру, где среди прочих связей иерархические (вертикальные) связи между элементами системы имеют главенствующее значение.

Структуру современных ВС во многих монографиях изображают в виде иерархически организованной последовательности слоев, взаимодействие между которыми осуществляется с помощью межуровневых интерфейсов (рис.).

Слой 1 ВС (самый нижний) – аппаратная платформа. В основе любой вычислительной системы лежит аппаратное обеспечение. Самый нижний уровень аппаратного обеспечения образуют отдельные физические устройства, к которым относятся электронные элементы на печатных платах и в микросхемах, проводники, источники питания и т.д.

На цифровом логическом уровне компьютер состоит из вентилей (элементов, вычисляющих элементарные функции булевой алгебры – AND, OR, XOR, NOT), а также логических схем на основе вентилей (мультиплексоры, дешифраторы, сумматоры).

Структура вычислительной системы в виде иерархически организованной последовательности слоев

На следующем уровне эти элементы рассматриваются как взаимосвязанные функциональные единицы микропроцессорной системы: арифметико–логическое устройство, устройство обработки чисел с плавающей точкой, устройство управления памятью, регистры процессора и др. Такую логическую организацию физических устройств называют микроархитектурой или организацией компьютера.

Во многих системах работа элементов микроархитектуры контролируется микропрограммой или микрокодом, который представляет собой «сверхнизкоуровневую» программу, хранящуюся в специальной высокоскоростной внутренней памяти процессора. Физические устройства,

организованные в определённую микроархитектуру, а также микрокод образуют конкретную компьютерную архитектуру или аппаратную платформу, которая предоставляет вышележащим уровням интерфейс – систему команд. Система команд или набор инструкций процессора является моделью программирования, которую использует разработчик программ, работающий на машинном языке или языке ассемблера для данной компьютерной архитектуры.

Важно понимать, что при наличии в аппаратной платформе микропрограммного уровня микрокод является своеобразным интерпретатором системы команд. Таким образом, набор инструкций процессора может отличаться от команд, реально выполняемых аппаратурой (например, микропрограмма может реализовать отсутствующую в микроархитектурном уровне команду умножения целых чисел, заменив её серией команд сложения). Если микропрограммный уровень отсутствует, то команды микроархитектурного уровня и являются системой команд процессора.

Разграничение функций, выполняемых выше и ниже этой границы, и определение интерфейса между ОС и аппаратными средствами – важная часть процесса разработки структуры ВС.

Слой 2 ВС – системное программное обеспечение. В этом слое можно выделить четыре уровня.

Первый уровень СПО – программы для управление физическими ресурсами ВС . Данный уровень является первым уровнем системного программного обеспечения вычислительной системы, и его назначение состоит в систематизации и стандартизации правил программного использования физических ресурсов. На этом уровне обеспечивается создание программ управления физическими ресурсами. Для обеспечения управления физическими ресурсами используются программы BIOS и программы – драйверы физических ресурсов (устройств).

BIOS предоставляет программам более высокого уровня интерфейс вызовов BIOS в виде набора функций доступа к оборудованию. Вызов таких функций производится с использованием программных прерываний. Кроме этого, важная функция BIOS — поиск, тестирование и инициализация устройств, подключённых к системе с целью приведения машины в состояние, при котором возможна загрузка ОС с устройств внешней памяти.

Драйвер физического устройства – программа, основанная на использовании команд управления конкретного физического устройства и предназначенная для организации работы с данным устройством. Драйвер устройства должен учитывать специфику работы внешнего устройства, все тонкости его функционирования. Поэтому драйверы устройств обычно создаются производителями оборудования. Каждому устройству в ВС соответствует свой драйвер.

Функции драйвера устройства:

· прием и обработка запроса (управляющего сигнала), который поступает к данному периферийному устройству;

· преобразование запроса о необходимости связи с этим устройством в серию команд управления устройством с учетом всех особенностей его работы;

· обработка сигналов прерываний, которые поступают от периферийных устройств, обслуживаемых соответствующими драйверами.

Таким образом, в ВС контроллер устройства выступает в роли аппаратного «мостика» между системой в целом и самим устройством. Программа–драйвер выполняет функции «переводчика» команд с языка операционной системы на язык команд конкретного устройства.

Драйверы могут быть либо стандартными, либо загружаемыми.

Стандартные (внутренние) драйверы — это программы, которые служат для управления устройствами, входящими в стандартный комплект компьютера. Эти драйверы подключаются к системе автоматически после перехода компьютера в нормальное рабочее состояние.

Загружаемые (внешние, устанавливаемые) драйверы – это программы, хранящиеся на устройствах внешней памяти. Загружаемые драйверы предназначены для управления устройствами, которые отличаются от стандартных по своим техническим параметрам или особыми режимами эксплуатации. Возможность использования загружаемых драйверов облегчает адаптацию операционной системы к новым внешним устройствам.

Второй уровень СПО – программы для управления логическими/виртуальными ресурсами. Этот уровень ориентирован на пользователя. Команды данного уровня не зависят от физических устройств, они обращены к предыдущему уровню.

В вычислительной системе управление логическими ресурсами осуществляют программы, ориентированные на сглаживание аппаратных особенностей для создания более комфортных условий в работе пользователя. Уровень логических ресурсов создает некоторое обобщенное устройство, одно на всю систему, и пользователь работает в терминах этого обобщенного устройства. А уже программы логического уровня сами определяют, к какой из программ управления физическими устройствами надо обратиться, чтобы запрос пользователя к логическому устройству правильно оттранслировать к конкретному физическому устройству.

На базе этого уровня могут создаваться виртуальные логические ресурсы. Логическое/виртуальное устройство (ресурс) – это устройство, эксплуатационные характеристики которого реализованы чисто программным путем (например, имитация оптического диска в оперативной памяти).