Информатика - Учебное пособие

Ахитектура компютера

 

Под архитектурой компьютера понимается совокупность знаний о ресурсах ЭВМ, доступных пользователю, и помогающих наиболее эффективно решать поставленные задачи. Рассмотрим в качестве примера организацию персонального компьютера (ПК).

Обычно под ПК понимается универсальная однопользовательская ЭВМ, главными достоинствами которой являются: небольшие габариты, невысокая стоимость, наличие периферийных устройств, необходимых для удобного ввода-вывода (клавиатура и дисплей) и хранения информации (накопители на магнитных или оптических дисках), наличие аппаратных ресурсов, позволяющих решать большинство реальных задач, наличие таких программных средств как операционная система и набор языков программирования высокого уровня, упрощающих взаимодействие пользователя с ПК.

Структуру персонального компьютера можно изобразить следующим образом:

 

 

 

задающий (тактовый) генератор

УУ

 

АЛУ

 

ОЗУ

(RAM)

 

ПЗУ

(ROM)

 

 

системная шина

 

 

ПВВ    ПВВ

порты ввода-вывода

·    ·    ·

 

ПВВ

 

 

 

 

ВУ       ВУ

внешние

(периферийные)

устройства     ВУ

·    ·    ·

 

Рис 2.1. Персональный компьютер как микропроцессорная система

 

Системная шина - совокупность одно- и двунаправленных линий, логически объединенных в следующие группы: 1) шину адреса; 2) шину данных и 3) шину управления. Системная шина объединяет все устройства центральной части ПК, к ней можно параллельно подключать несколько узлов ЭВМ. Архитектура компьютера с СШ обеспечивает простоту и дешевизну ПК, а также унифицирует алгоритмы взаимодействия узлов ПК, облегчая программирование. Однако в каждый момент времени через СШ могут обмениваться информацией только два устройства, остальные вынуждены ждать. Это потенциально ограничивает производительность ПК, однако в данном классе ЭВМ себя вполне окупает.

Системная      шина,  как      правило,         обладает         возможностью           мультиплексирования

(совмещения) линий адресов и данных (а иногда и управления).

Системная шина обеспечивает три вида передачи данных (ПД):

1) между процессором и оперативной памятью;

2) между процессором и портами ввода-вывода;

3) между оперативной памятью и портами ввода-вывода.

 

ПРОЦЕССОР

 

Процессор - это главный узел, "сердце" компьютера. Он обеспечивает общее управление компьютером и обрабатывает данные по введенной программе. Процессор содержит:

- арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций;

- устройство управления (УУ), обеспечивающее общее управление вычислительным процессом и координирующее работу всех устройств компьютера.

Упрощенная  структура  процессора  и  его  взаимодействие  с  памятями  ПК  в  режиме выполнения команд программы представлены на рис. 2.

 

 

 

ЦП

 

АЛУ

Шина данных

 

Регистровая память

 

Кэш-память

 

 

Счѐтчик команд

 

УУ       Регистр команды

Оперативная память

КОП   адреса и/или операнды

Команды

 

 

Шина адреса

 

Дешифратор

 

Управляющие сигналы

 

Рис. 2.2. Центральный процессор и основные памяти ПК

 

Кэш (cache) – сравнительно небольшая по объѐму (десятки – сотни Кбайт) быстродействующая память, в которую из оперативной памяти (ОП) передаѐтся блок информации, содержащий часть или всю выполняемую программу и необходимые для еѐ выполнения данные.

Команды выполняющейся программы поступают из оперативной памяти или КЭШа в регистр команды, расположенный в УУ. Затем команда дешифрируется, в результате чего формируются управляющие сигналы, поступающие в те узлы ЭВМ, которые необходимы для

выполнения этой команды. Вычислительные команды выполняются с помощью АЛУ. В вычислительных операциях участвуют, как правило, два операнда. Распространѐнной является двухадресная команда со следующей структурой:

 

Код команды

(КОП)

A1       A2

 

исходные операнды команды находятся по адресам A1 и A2 в регистрах или в оперативной памяти (КЭШе), а результат выполнения заносится по адресу A1. Адреса формируются при дешифрации команды в устройстве управления и по шине адреса передаются на схемы памяти. Операнды передаются в АЛУ обычно через регистровую память, представляющую собой набор регистров, которые хранят как сами операнды,  так и результат выполнения команды. Наличие регистровой памяти позволяет повысить производительность процессора, поскольку часто результат выполнения текущей команды является исходным операндом для следующей команды.

У   персонального   компьютера   центральный   процессор   (ЦП)   выполнен   на   одном кристалле (чипе) и называется микропроцессором (МП).

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой;

2) разрядностью;

3) архитектурой.

Работа микропроцессора, а значит и всего компьютера, синхронизируется импульсами тактовой частоты от специального задающего генератора (ЗГ) с кварцевой стабилизацией. Чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие ЭВМ. Как правило, каждому типу микропроцессора соответствует своя тактовая частота. Основной частотой первого ПК класса IBM PC с процессором Intel 8086 была 4,77 МГц. В конце первого десятилетия XXI века используются частоты 400 МГц и более.

Разрядность микропроцессора характеризует максимальное количество разрядов двоичного  кода,  которые  могут  процессором  обрабатываться  и  передаваться.  Кратко разрядность МП характеризуют тремя числами “m / n / k”. Определяющим параметром здесь является m – разрядность основных регистров процессора, которая характеризует внутреннюю длину машинного слова. n – разрядность шины данных, определяющая скорость обмена информацией между МП и другими устройствами. Разрядность шины адреса k определяет адресное пространств МП, т.е. максимальное количество байтов памяти (равное 2k), к которым

может иметь доступ процессор. Реально память компьютера может иметь и меньший объѐм. В

настоящее время наиболее распространены 16- и 32-разрядные ПК.

Архитектура микропроцессора обычно включает в себя:

- систему команд и способы адресации;

- возможность совмещения выполнения команд во времени;

- наличие дополнительных устройств и узлов в составе МП;

- режимы работы МП.

По системе команд различают ПК с CISC-процессором (CISС -complex insruction set computer, т. е. компьютер со сложной системой команд)  и ПК с RISC-архитектурой (reduced instruction set computer - компьютер с уменьшенной системой команд). Последние появились сравнительно недавно; их достоинством является то, что каждая команда процессора выполняется за один такт; это упрощает структуру МП и повышает его производительность.

Системой команд различаются универсальный (основной, центральный) процессор и специализированный  МП  (сопроцессор).  Последний  как  бы  дополняет  основной  процессор,

выполняя функцию акселератора некоторых команд. В универсальных ПК чаще всего встречаются математические сопроцессоры, ускоряющие выполнение операций над вещественными числами. Сопроцессор расширяет набор команд ЭВМ.

Наиболее развитые МП обеспечивают совмещение выполнения нескольких последовательно расположенных команд во времени, используя конвейерную обработку.

Режимы работы МП. Микропроцессор может поддерживать следующие режимы:

- однопрограммный;

- многопрограммный;

- системы виртуальных машин, т. е. возможность одновременной работы нескольких операционных систем на одном ПК (по сути - расширение мультипрограммного режима).

Быстродействие микропроцессора. Общепринятой оценки не существует. Обычно для количественной оценки приводят число коротких операций, выполненных в единицу времени. Короткая команда - это сложение содержимого двух регистров. У ЭВМ с CISC-архитектурой такая команда выполняется за 4 - 5 машинных тактов.

 

История развития микропроцессоров

 

Первый микропроцессор начал разрабатывать в 1969 году Тед Хофф из Intel Corporation по заказу уже несуществующей японской фирмы Busicom для калькуляторов. Этот четырехразрядный микропроцессор 4004 был изготовлен в 1971 году. Он позволял кодировать до 24    = 16 цифр и символов для выполнения математических операций, прекрасно работал и открыл эру недорогих калькуляторов.

В 1972 году появился восьмибитный МП Intel 8008, размер регистров которого позволял закодировать до 28 = 256 различных символов. Его широко использовали при производстве ПК. В 1974 году был создан 8-битный чип 8080, у которого по сравнению с 8008-м был значительно расширен набор команд, и это был первый микропроцессор, который выполнял деление.

В 1976 году фирма Intel разрабатывает МП 8086, размер регистров которого был доведен до 16, что давало возможность увеличить производительность в 10 раз по сравнению с 8080. Размер информационной шины тоже равнялся 16 бит, а размер адресной шины был доведен до

20 бит, что позволяло прямо адресоваться к 220  = 1 Мбайт оперативной памяти. В некотором смысле он опередил свое время, так как в то время микроЭВМ основывались на 8-битной архитектуре, а микросхемы памяти были довольно дороги. Поэтому через год фирмой был разработан чип 8088, который имел практически все, что и 8086, за исключением того, что шина данных была уменьшена до 8 бит. Это позволяло использовать его в наборе с широко распространенными в то время 8-битными микросхемами. Имея 16-битную внутреннюю организацию, микропроцессор имел важные преимущества перед другими МП (в частности, мог понимать программы, работающие   с операционной системой CP/M - Control Program for Microcomputers) и явился базой для разработки семейства персональных компьютеров IBM PC

XT.

В 1982 году был представлен и МП 80286, на базе которого фирма IBM в 1984 году изготовила ПК IBM PC AT. По сравнению с 8086 он использовал полную 16-разрядную шину данных и 16-битные внутренние регистры и мог работать с более высокой тактовой частотой (до

20 МГц), при этом прирост частоты на 25 \% обеспечивал увеличение производительности в 5 раз по сравнению с 8086. Самым большим преимуществом 80286 была 24-разрядная шина адреса, что позволяло обращаться к памяти объемом до 16 Мбайт.

Ряд недостатков МП 80286, затруднявших использование его потенциальных возможностей, привел к созданию в 1985 году микропроцессора Intel 80386. Он имел более высокую тактовую частоту, большую производительность. Имел все положительные качества

8086, 8088, 80286, опережая их всех по своим характеристикам. Так, все микрокоды 80286

входили   в   число   микрокоманд   80386,   поэтому   можно   было   использовать   все   старое программное  обеспечение.  Intel  80386  был  мощнее  своих  предшественников,  имея  размеры шины данных, увеличенные до 32 бит, что само по себе давало двухкратный рост производительности. Число адресных разрядов тоже было увеличено до 32, что позволило обращаться прямо к 4 Гбайт физической памяти. 80386 имеет встроенную 16-байтовую кэш- память, которая используется для хранения нескольких следующих команд программы. Это позволяет чипу работать без задержек, связанных с выбором команды из оперативной памяти. Т. н.  виртуальный  режим  80386  позволяет  процессору разбивать  память  на  множество виртуальных, каждая из которых как бы работает со своим чипом 8086. Так. можно выполнять несколько программ на одном ПК с МП 80386, реализуя тем самым многозадачный режим.

Микропроцессор i486 был анонсирован фирмой Intel в апреле 1989 года. Одна из основных  его  особенностей  -  высокий  уровень  интеграции  (см.  таблицу).  Он  рассчитан  на работу с более высокой тактовой частотой, и на частоте 60 МГц его производительность более чем в 5 раз превышает производительность МП 386 с рабочей частотой 33 МГц. Этому способствуют:

1) использование конвейерной обработки, характерной для RISC-процессоров. Даже в системе команд CISC-процессоров, к которым относится и МП 486, имеется много простых инструкций, которые выполняются за один машинный такт. Вследствие того, что такие команды проходят  по  конвейеру  без  задержек,  в  одном  такте  можно  начинать  выполнение  одной команды и заканчивать выполнение другой. Конечно, выполнение сложных команд требует много тактов и снижает производительность конвейерного МП, поэтому конструкция кристалла МП 486 значительно более сложна, чем у RISC-процессоров. Здесь это окупается совместимостью с имеющимся уже программным обеспечением;

2) наличие кэш-памяти объемом 8 Кбайт;

3) встроенные средства выполнения операций над числами с плавающей точкой.

Типичными этапами работы конвейерного микропроцессора являются:

- выборка команды из памяти;

- дешифрация команды для определения необходимых действий;

- выполнение команды;

- запоминание результата.

Процессор Pentium появился в 1993 г. Имеет  два  встроенных 5-стадийных конвейера, работающих параллельно.  U-конвейер предназначен для выполнения любых команд семейства МП   х86, V-конвейер выполняет простые целочисленные команды.   Сдвоенный конвейер обеспечивает одновременное     выполнение     двух     простых  команд, которые обычно выполняются за один такт синхронизации. При этом одна команда декодируется, а следующая команда  анализируется  на  возможность  одновременного  выполнения.  При  положительном ответе обе команды засылаются в конвейер для  одновременного выполнения. Pentium имеет два кэша первого уровня по 8 Кбайт каждый для хранения соответственно команд и данных. Схема управления ими в 95\% случаев правильно выбирает блоки информации для загрузки в кэш. Оба кэша допускают одновременную  адресацию,  что  позволяет за один такт извлечь из кэша  32 байта  команд   и  обратиться сразу к двум данным. Процессор Pentium имеет внутренний математический  сопроцессор,  повышающий  быстродействие  операций  над  числами  с плавающей точкой примерно в 10 раз. Имеется встроенный режим управления  системой  (SMM

-  System Management Mode), наиболее очевидное применение которого  связано с управлением питанием, а именно, можно перевести процессор в пассивное состояние после определенного времени  бездействия, а затем активизировать с клавиатуры или мышью.

Первые "Пентиумы" работали на тактовой частоте 60 МГц,   к середине 95-го года предлагаются компьютеры с частотой 133 МГц.

Микропроцессор Р6 (Pentium Pro). Первые его версии планируется производить на базе технологии МП Pentium. В Р6  осуществлен  переход от двух конвейеров Pentium'а к одному 12- ступенчатому конвейеру, что приводит к уменьшению выполняемой на каждой стадии работы и к уменьшению времени нахождения команды на каждой  ступени примерно на 33\%. Таким образом,     использование     технологии  производства  Р5  частотой  100  МГц  приведет     к получению   Р6   с тактовой частотой 133 МГц. Превзойти возможности Pentium c его способностью выполнять за такт 2 команды позволяет новый  подход, позволяющий устранить жесткую  зависимость  между выборкой и выполнением команд в программе. Команды могут начинать      выполняться   в   произвольном   порядке,   но   завершают   свое   выполнение      в соответствии с исходным порядком в программе.

В то время как за последние 10 лет  скорость  процессоров возросла примерно в 10 раз, время  доступа  к  ОП  уменьшилось только на 60\%. Это растущее отставание и  было  той фундаментальной проблемой, которую пришлось решать при  проектировании Р6.

При выполнении реальных программ возможности МП   Pentium   и многих других используются не в полную меру. Рассмотрим  фрагмент программы, написанный на условном языке:

 

 

 
1)  r1    mem[r0]

2)  r2    r1 + r2

3)  r5    r5 + 1

4) r6     r6 - r3

 

Пусть при выполнении первой команды загрузки из памяти  в регистр r1 оказалось,  что содержимое  ячейки  памяти в кэше отсутствует. Обычно в этом случае процессор переходит к выполнению следующей команды только после   передачи   содержимого ячейки mem[r0] основной памяти и всѐ это время будет простаивать. Процессор не может выполнять вторую команду до завершения выполнения первой, в то же время процессор может выполнять команды

3 и 4, не зависящие от результатов выполнения начальных команд.

За время чтения из памяти данных, необходимых для команды 1, P6 продолжает опережающее выполнение команд  и может обработать в среднем до 30 – 30 команд. Результаты выполнения команд помещаются в дубли регистров. Эти результаты меняют состояние вычислительной системы только тогда, когда выполненная команда выбирается из дублирующего регистра в соответствии с истинным порядком выполнения команд в программе.

Реализация в Р6 опережающего выполнения команд и ряда других методов позволяет удвоить производительность по отношению к Р5 при той же самой технологии производства.

 

Основные модели микропроцессоров INTEL

 

название

год

создания

разрядность

m/n/k

б/действие

млн.опер. в сек.

адресное пр-во

физ. памяти

│ число

транзисторов

8086

1978

16/16/20

3

1 Мбайт

29 000

8088

1979

16/8/20

2

1 Мбайт

- " -

80286

1982

16/16/24

2.5

16 Мбайт

130 000

80386

1985

32/32/32

8

4 Гбайт

275 000

80486

1989

32/32/32

27

4 Гбайт

1.2 млн

80586

1993

32/64/32

 

4 Гбайт

4 млн.

80686

1995

32/64/36

 

64 Гбайт

22 млн

80786

2000

32/64/36

 

64 Гбайт

100 млн

 

К истории появления первых персональных компьютеров

 

Пожалуй, первый доступный по цене компьютер собрал Эд Робертс, офицер ВВС США с дипломом инженера-электронщика, в 1974 году. Устройство было собрано на основе МП Intel

8080, имело ОП в 256 байт, данные вводились с помощью механических двоичных ключей,а выводились тоже в двоичном коде с помощью лампочек. Ни клавиатуры, ни дисплея не было. Компьютер под названием "Альтаир" был описан в январском номере журнала "Popular Electronics" за 1975 год. В этом же году "Альтаир" начал продаваться по цене 397 долларов, и заказы на него посыпались, как из рога изобилия. В этом же году студенты Пол Аллен и Билл Гейтс написали для "Альтаира" программу-транслятор языка Бейсик. Они возглавили отдел программного обеспечения фирмы Робертса, а впоследствии основали фирму "Microsoft".

По прошествии всего года с момента появления первого "Альтаира" в производство ПК

включилось более двух десятков фирм в США.

Стивен Джобс и Стефен Возняк были друзьями с детства, хотя Возняк был на 4 года старше. Они работали в престижных фирмах Силиконовой долины: Джобс программировал видеоигры  для  фирмы  Atari,  а  Возняк  работал  инженером  в  компании  Hewlett-Packard. Основную часть работы по конструированию машины выполнял Возняк.

Она   была   продемонстрирована   в   компьютерном   клубе   осенью   1975   года,   но   особого впечатления не произвела, разве что использование МП 6502 фирмы "МОП-Текнолоджи", значительно более дешевого, чем МП 8080. Идея сделать машину коммерческой принадлежала Джобсу, и в апреле 1976 года родилась фирма Apple Computers. Первые компьютеры "Apple" собирались сначала во второй спальне, а затем в гараже дома родителей Джобса. Джобс занялся поисками денег и талантов для роста репутации фирмы, вышел на Маркуллу, бывшего администратора фирмы "Intel", и под руководством последнего фирма "Эппл" в начале 1977 года превращается в корпорацию. Через несколько месяцев начался выпуск "Apple-II". Машина весила 5 кг, имела пластмассовый корпус, систему цветной графики, минимум микросхем, была выполнена  в  конструктивном  и  коммерческом  отношении  на  невиданном  доселе  уровне. Принято теперь считать, что именно "Эппл 2" открыл широкую дорогу перед индустрией персональных компьютеров. Только за один год корпорация Apple продала продукции на 2,7 млн.  долларов,  а  к  1980  году  ее  годовой  доход  составил  117  млн.  долларов.  Гараж  семьи Джобсов стал своего рода музеем начала новой эпохи.

В следующем году фирма IBM выпускает свой первый персональный компьютер IBM PC, с появлением которого кончилась эпоха любительского стиля работы, и произошло окончательное превращение производства ПК в серьезный бизнес.

"За удивительно короткий период времени, с середины 70-х до начала 80-х г.г., новая индустрия перекочевала из гаражей хэкеров в залы, где происходят совещания директоров корпораций".

 

Периферийные устройства ЭВМ

 

Весь парк существующих периферийных устройств можно разделить на две большие группы: внешние запоминающие устройства (ВЗУ) и устройства ввода-вывода информации. Рассмотрим эти группы по отдельности.

 

1. Внешние запоминающие устройства

1. Накопитель на гибком магнитном диске (НГМД) – устройство со сменным носителем информации, в которое устанавливается ГМД, и которое обеспечивает как считывание, так и запись информации на него.

Впервые был разработан фирмой IBM для загрузки диагностического программного обеспечения (ПО), при этом диаметр ГД составлял 8''(203 мм) и запись на него осуществлялась с одной стороны. В настоящее время основными размерами ГД являются 5.25'' (133 мм) и 3.5''(89 мм).

Сменные носители информации решают следующие задачи:

- резервирование информации;

- обеспечение конфиденциальности данных;

- транспортирование информации;

- распространение ПО.

НГМД состоит из:

1) механического привода,

2) блока магнитных головок (МГ),

3) системы позиционирования МГ,

4) электронного блока, обеспечивающего управление накопителем и преобразование сигналов.

Двигатель привода НГМД включается только при обращении к накопителю для записи или чтения (при этом загорается светодиод на передней панели накопителя). Скорость вращения дискеты составляет обычно 360 об/мин.

 

Схема размещения информации на ГД

 

Информация на дискете размещается вдоль концентрических окружностей, называемых дорожками.  Дорожки  нумеруются  от  края  диска  к  его  середине.  Дорожки  с  одинаковым номером на различных поверхностях образуют цилиндр. Каждая дорожка содержит определенное число секторов - участков, хранящих минимальное количество информации, которое может быть записано на диск или считано с него. Между секторами находится межсекторный интервал. У дискет информационная емкость одного сектора составляет обычно

512 байт.

 

Обозначения: DS - double sided DD - double density HD - high density

 

2. Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД, НМД)

 

Обычно относится к несъемному типу, поэтому служит исключительно для хранения подлежащих исполнению программ и информационных массивов без возможности их непосредственного переноса на другие машины. Сложно обеспечить и конфиденциальность. Однако НЖМД существенно превосходят НГМД по емкости и быстродействию.

В принципе, структура НЖМД идентична составу НГМД, однако магнитный диск, блок магнитных  головок  и  система  их  позиционирования  помещены  в  герметичный  закрытый корпус. Такой НМД был впервые применен фирмой IBM в 1973 году. В НМД обычно устанавливается соосный набор из 2 - 4 жестких магнитных дисков с металлической основой и общей емкостью 5 Мб - 2 Гб. В отличие от дискеты жесткий диск вращается непрерывно со скоростью 3600 об/мин. Отсутствует и непосредственный контакт магнитных головок с поверхностью дисков. Диаметр дисков НМД, входящих в комплектацию ПК, составляет 133 или

89 мм, однако существуют и 63-мм и 49-мм НЖМД, применяемые в портативных ПК типа

notebook.  Пакет  ЖД  может  иметь  306,  612  и  более  цилиндров,  а  на  каждой  дорожке размещаются 17 и более секторов. Из-за высокой скорости вращения нумерация секторов на дорожке не соответствует последовательности их физического размещения. Сектор с номером, на  единицу  большим  предыдущего,  размещается  за  ним  через  определенное  количество секторов (это число называется коэффициентом чередования).

НЖМД с несъемным диском называют винчестерским накопителем ("винчестером"), так как первые такие накопители имели два магнитных диска по 30 Мбайт, т. е. "30/30" подобно калибру ружья "Винчестер".

Предпринимаются усилия по создания НМД со сменным носителем информации:

- сменные кассеты с ЖМД емкостью до 450 Мбайт;

-  съемные  накопители  -  довольно  дороги,  получили  определенное           распространение  в портативных ПК.

Ведутся поиски материалов, способных заменить металлическую основу жестких дисков. Здесь перспективно стекло, его гладкая поверхность позволяет уменьшить зазор между диском и магнитной головкой, а, следовательно, увеличить информационную емкость. В 1989 г. фирма Ariel Technology выпустила 89-мм НЖМД с одним стеклянным диском в 100 Мбайт и средним временем доступа 28 мс.

 

3. Накопители на оптическом диске (НОД)

 

Конструкция основана на использовании лазера для записи и чтения информации в цифровом (двоичном) виде. В процессе записи модулированный цифровым сигналом лазерный луч оставляет на активном слое оптического носителя след, который затем можно прочитать, направляя на него луч меньшей интенсивности.

Основным достоинством оптического диска является большая емкость: на наиболее распространенный сейчас компакт-диск диаметром 12 см можно поместить до 680 Мбайт информации.

НОД можно разделить на три категории:

1) НОД без возможности записи;

2) НОД с возможностью однократной записи;

3) НОД с многократной записью на диск.

Первая категория использует технологию аудио компакт-дисков (CD-ROM, т. е. ПЗУ на компакт-диске). Компакт-диск состоит из прозрачной поликарбонатной основы диаметром 12(8) см и толщиной 1.2 мм. Одна сторона покрыта тонким алюминиевым слоем, защищенным от повреждений слоем лака. Информация представляется чередованием углублений (Pits) и основного слоя (Land) на алюминиевом покрытии. Ширина углублений равна 0,4 мк, а расстояние между дорожками составляет 1,6 мк. Таким образом, на одном дюйме (2,54 мм) по радиусу размещается 16 000 информационных дорожек.

Во вторую категорию входят НОД, позволяющие самому сформировать информацию, записываемую на оптический диск. При этом используется покрытие диска специальным фотолаком, в котором лазерный луч прожигает отверстия на определенных местах. Понятно, что осуществить такую операцию над диском можно только один раз, хотя по времени этот процесс можно повторять несколько раз, пока не будет использована вся поверхность диска. Способ удобен для архивирования информации. Эта технология называется CD-WORM (Write Once-Read Many).

Для многократной перезаписи на оптических дисках наибольшее распространение получил магнито-оптический метод (МО). Используется диск с многослойным легированием, который способен намагничиваться. Участок такого диска нагревается лучом лазера до температуры чуть больше 200 С. Электромагнит в соответствии с поступающими двоичными

данными намагничивает частички этого участка. При считывании информации линейно поляризованным лучом при отражении происходит поворот плоскости поляризации на угол, зависящий от намагниченности участка диска. При использовании магнито-оптических дисков CD-MO данные можно записывать, читать, стирать, изменять и снова записывать.

По сравнению с НЖМД НОД имеют:

- среднее время доступа 35 - 100 мс (лучшие НМД на порядок быстрее);

- сравнимую стоимость для CD-ROM и более высокую - для НОД с возможностью записи;

- более высокую емкость;

- повышенную надежность и долговечность;

- возможность смены диска без особых ухищрений.

Соотношение параметров НОД и НЖМД определяет использование НОД пока в качестве дублирующего накопителя или вместо НГМД.

 

4. Накопители на магнитной ленте (НМЛ)

 

Стали применяться в ЭВМ еще в 50-х годах, сохранят свои позиции и в будущем, по крайней мере, для больших ЭВМ.

В ПК большого распространения не получили. Предлагаются как факультативные периферийные  устройства  и  используются  в  роли  дублирующих  накопителей  для архивирования   информации.   Синонимом   НМЛ   для   ПК   является   стример   (strimer).   К информации  на  магнитной  ленте  возможен  только  последовательный  доступ,  что принципиально ограничивает быстродействие НМЛ. В ПК используются в основном кассетные НМЛ, емкость которых может достигать 1 Гбайта. Имеются и мини-кассеты с емкостью до 40 -

110 Мбайт. Среднее время доступа может достигать несколько минут. Скорость считывания информации - до 10 Мбайт/мин.

Неоспоримое достоинство НМЛ - высокая надежность и низкая стоимость хранения информации (но на пятки наступают НОД).

 

II. Устройства ввода информации

 

1. Клавиатура - основное устройство ввода информации в ЭВМ. Представляет собой матрицу клавиш, объединенных в единое целое, и электронный блок для преобразования нажатия клавиши в двоичный код.

Наибольшее распространение получили клавиши

-  емкостные  (при  нажатии  клавиши  меняется  емкость,  что  достаточно  для  срабатывания схемы). Просты и очень надежны (до 100 и более миллионов нажатий);

- контактные, имеют различные варианты реализации. Выдерживают до нескольких десятков миллионов нажатий.

Характерная особенность клавиатуры ПК - допустимость перекрытия нажатий. Во- первых,  клавиатура  надежно  различает  порядок  нажатия,  во-вторых,  есть  множество комбинаций клавиш, одновременное нажатие которых приводит к выдаче в ПК т. н. расширенных кодов клавиш.

Другая особенность клавиатуры ПК - при нажатии формируется один код, а при отпускании - другой, который называется кодом сканирования клавиш.

Дополнительно в клавиатурах реализуется функция повторения, обеспечивающая многократную выдачу кода клавиши при удержании ее в утопленном состоянии.

 

2. Манипуляторы (координатно-указательные устройства, устройства управления курсором)

1) джойстик;

2) световое перо;

3) манипулятор типа "мышь" (изобретен Д. Энджеблатом, 1964 г.), есть беспроводной вариант, есть оптический вариант;

4) шаровой манипулятор (трек-бол). Является как бы перевернутой "мышью". Встраивается в клавиатуру (Mac, note-book);

5) манипулятор Isopoint Control (К. Калверт, 1989 г.).

 

3. Сканеры

 

Позволяют вводить в ЭВМ изображения. Сканер освещает оригинал, а светочувствительный датчик с определенной частотой производит замеры интенсивности отраженного оригиналом света. Разрешающая способность прямо пропорциональна частоте замеров. В процессе измерения интенсивность преобразуется в двоичный код, который вводится в ЭВМ. В 1989 г. появились цветные сканеры. По применимости сканеры делятся на настольные и ручные.

 

4.  Графические планшеты, "диджитайзеры"

 

(Digitizer - цифровой преобразователь). Автоматизируют создание готовых изображений и ввод в ПК графической информации. Наиболее распространенные используют пьезоэлектрический эффект - появление напряжения при нажатии на пьезоэлемент, причем величина напряжения пропорциональна силе нажатия. Разрешающая способность диджитайзера в среднем 100 - 400 линий на дюйм. Существуют планшеты и для ввода текстовой информации. Они  могут  прийти  на  смену  клавиатуры,  когда  будет  окончательно  решена  задача распознавания рукописных символов. Пока соответствующие системы весьма сложны и дороги.

 

5. Сенсорные экраны (touch screen)

 

Имеют невысокую разрешающую способность, так как вместо пера используется палец. Получили широкое распространение в системах управления. По способу формирования сигнала делятся на:

- резистивные;

- емкостные;

- акустические (вдоль поверхности экрана излучаются акустические волны);

-  оптические  (используются  пары  "светодиод-фотоприемник",  работающие  в  инфракрасном диапазоне).

 

6. Средства речевого ввода

 

В будущем смогут, вероятно, вытеснить клавиатуру в силу гораздо большей скорости и удобства ввода информации в ПК.

По способу распознавания делятся на воспринимающие изолированные слова или слитную речь.

По степени зависимости от диктора различают зависимые и независимые системы. Последние, в свою очередь, имеют подстройку под голос диктора или не имеют оной.

В настоящее время существует и выпускается достаточно широкая номенклатура средств речевого ввода. Так, например, фирма LBM выпускает для IBM PC-совместимых компьютеров

систему Voicecraft, имеющую словарь на 32 000 слов и среднее время распознавания слова около 200 мс. Для систем PS/2 фирмой DD выпускается система речевого ввода Dragon Dictate со словарем в 80 000 слов.

 

III. Устройства вывода информации

 

1. Дисплеи

 

Дисплеем называется устройство визуализации текстовой и графической информации без ее долговременной фиксации. Подробно рассматриваются в следующем разделе.

 

2. Печатающие устройства (принтеры)

 

Позволяют  получить  «твердую»  копию  изображения  или  содержимого  некоторых файлов. Могут обеспечивать черно-белую или многоцветную печать.

По технологии печати различают:

 

безударные    ударные

──────────         ─────── струйные           литерные термографические          точечно-матричные электрофотографические (лазерные)

электростатические магнитографические

 

3. Графопостроители (плоттеры)

 

Устройства вывода из ЭВМ данных в форме рисунка или графика. По конструктивному исполнению разделяются на устройства планшетного или рулонного типа.

 

4. Синтезаторы звука

 

Служат  для  выдачи  звукового  сигнала  при  наступлении  какого-либо  события. Разделяются на одноголосные, многоголосные и синтезаторы речи. Технически последние реализовать значительно проще, чем вводить речь.

 

ВИДЕОМОНИТОРЫ И ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ НА ЭКРАН

 

Видеомониторы (дисплеи) служат как для визуального представления информации, вводимой пользователем, так и для вывода полученных результатов на экран.

По количеству воспроизводимых цветов бывают цветные и монохромные. По физическим принципам формирования изображения бывают:

- на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);

- жидкокристаллические;

- плазменные (газоразрядные);

- электролюминесцентные.

В настольных персональных компьютерах наибольшее распространение получили дисплеи на основе ЭЛТ, в портативных - жидкокристаллические. Для формирования изображения   в   первых   используется   растровый   принцип,   заключающийся   в   том,   что

изображение формируется с помощью матрицы точек, которые могут подсвечиваться электронным лучом, последовательно обходящим экран слева направо и сверху вниз. Размеры точек, выполненных из люминофора, таковы, что с одной стороны получается четко очерченное изображение, с другой - соседние светящиеся точки выглядят как непрерывная световая поверхность. Цветные дисплеи имеют зерна трех цветов - красного, зеленого и голубого - собранные в триады. В этом случае электронно-лучевая трубка имеет три электронные пушки, каждая из которых отвечает за формирование своего цвета. Манипулируя дополнительно и яркостью зерен, можно сформировать точку (пиксел –pixel: picture element) практически любого цвета.

 

 
Степень разрешения дисплея измеряется обычно количеством точек, высвечиваемых по горизонтали и по вертикали (m    n).

Важным  показателем  качества  дисплея  является  и  частота  сканирования   (частота

вертикальной и горизонтальной развертки). Чем выше разрешающая способность, тем больше должна быть и частота сканирования, чтобы мерцание экрана было незаметно.

 

 
Количество одновременно сочетаемых на экране цветов характеризует т. н. рабочую палитру дисплея. Как правило, рабочая палитра значительно меньше базовой палитры, под которой понимается совокупность цветов, которые могут отображаться на экране.

 

 

 

 
Лучшие монохромные мониторы имеют разрешающую способность 4096    4096 т. т. Что касается цветных, то уже серийно выпускаются с разрешением 1600    1200 т. т. (16 цветов в рабочей палитре из 4096 в базовой) и 1024    768 (256 из 16 млн.).

 

Видеоадаптеры

 

Видеоадаптер – устройство, осуществляющее непосредственное управление монитором

(разверткой, яркостью, цветовой палитрой).

Конструктивно видеоадаптер представляет собой отдельную плату, вставляемую в один из разъемов расширения системного блока ПК. Выпускаются системные (материнские) платы с интегрированным видеоадаптером.

Каждый видеоадаптер имеет в своем составе видеопамять, хранящую воспроизводимую на экране информацию. Объем видеопамяти может достигать нескольких сотен Мбайт. Видеопамять имеет два входа. Через один вход к видеопамяти обращается расположенный в видеоадаптере блок развертки изображения, непрерывно читающий информацию и передающий ее на экран дисплея. Заметим, что видеопамять логически находится в одном адресном пространстве с оперативной памятью ПК. Поэтому к ней можно одновременно обратиться программным  путем  через  другой  вход,  чтобы  занести  в  нее  информацию  или  прочитать. Каждой точке экрана в графическом режиме и каждому знакоместу в текстовом режиме работы дисплея соответствует поле видеопамяти определенного размера.

В         состав видеоадаптера           входит            один    или      несколько       знакогенераторов.     Основу

 

 

 

 
знакогенератора  составляет  ПЗУ  (ППЗУ),  в  котором  хранятся  очертания  всех  символов, выводимых на экран дисплея в текстовом режиме. Емкость памяти знакогенератора обычно -

256 символьных матриц с разрешением 8  8 - 9  16 пикселей. Обращаются к знакогенератору электронные схемы развертки по информации из видеопамяти.

В настоящее время выпускается достаточно широкая номенклатура видеоадаптеров, поддерживающих как текстовый, так и графический режим работы дисплея. Рассмотрим здесь некоторые, получившие наибольшее распространение.

 

CGA (Color Graphics Adapter) - цветной графический адаптер; появился в начале 80-х годов и является первым из получивших распространение цветных видеоадаптеров для ПК IBM

 

 
PC XT и совместимых с ним моделей. Объем видеопамяти CGA - 16 Кбайт. CGA разделяет экран на матрицу 640  200 пикселей.

 

Работа CGA в текстовом режиме

 

 

 

 

 
В системе CGA каждый символ располагается в матрице 7 7. Плюс одна точка зарезервирована для подстрочного элемента и еще одна - для разделения в строке. Таким образом, для расположения одного символа на экране требуется 8  8 пикселей. Если соотнести эти размеры с разрешающей способностью CGA, легко подсчитать, что в текстовом режиме на экране можно разместить 25 строк по 80 символов в каждой, всего - 2000 знаков.

Следующая  схема  представляет  организацию  поля  видеопамяти  CGA  при  работе  в

текстовом режиме:

 

Поле видеопамяти CGA для хранения одного символа

┌────────────────────────────┐

│ код символа           |           байт атрибутов│

└────────────────────────────┘ Формат байта атрибутов для CGA

7          6          5          4          3          2          1          0

┌────────────────────────----------─┐

│         I  │   R  │   G  │   B   │         I           │  R   │  G  │   B  │

└────────────────────────----------─┘

┌──────────────────────────────┐

│ Ярк.│ Кр. │ Зел.│ Син.│ Ярк.│ Кр. │ Зел.│Син.│

└──────────────────────────────┘

│         Цвет фона      │         Цвет символа            │

 

 

 
Каждому символу, выводимому на кран в текстовом режиме, соответствуют 2 байта видеопамяти. Первый байт содержит код символа, по которому из знакогенератора извлекается соответствующая знакоматрица 8 8 т.т. Часть точек знакоматрицы формирует собственно очертания символа, оставшиеся образуют фон, на котором виден (или не виден) знак. Но требуется сообщить еще, каким цветом отображается на экране символ, а каким - фон. Соответствующая информация содержится во втором байте поля - байте атрибутов. Здесь биты

0 - 3 определяют цвет символа. Три бита цвета плюс бит интенсивности обеспечивают 2  = 16 различных  цветов символа.  Например,  0  0  0  0  - черный цвет,  1  1  1  1  -  белый,  0  1  1  0  -

коричневый, 1 1 1 0 - желтый и т. д. Аналогичным образом формируется и палитра фона.

 

 
В видеопамяти поля символов располагаются в той же последовательности, в какой выводятся на экран - справа налево и сверху вниз. Таким образом, для отображения всех символов в режиме 80  25 требуется 4 Кбайта. Совокупность всей информации, необходимой для изображения такого текста, называется экранной страницей. Отсюда следует, что в видеопамять CGA можно поместить 4 экранных страницы. В каждый момент времени видеоконтроллер отображает на экран только одну страницу, в то время как программа может готовить информацию другой страницы. Переключение страниц осуществляется по определенной команде и для пользователя практически мгновенно.

Работа CGA в графическом режиме

 

 

 
В графическом режиме должен быть обеспечен программный доступ (для управления яркостью, цветом) к каждой точке экрана. Если связать с каждым пикселем 1 разряд видеопамяти, то 16 Кбайт = 128 Кбит достаточны для отображения 640 200 точек экрана. Поскольку один разряд имеет только два состояния(0 – нет светимости, 1 - есть), здесь можно получить только двухцветное изображение. Этот режим CGA называется режимом высокого разрешения.

 

 
CGA может функционировать и в режиме среднего разрешения, когда каждому пикселю

 

 
соответствуют 2 бита видеопамяти. Это позволяет при разрешении 320  200 т.т. иметь на экране одновременно цветовую гамму из четырех составляющих. Однако эти цвета нельзя выбрать произвольно. IBM позволяет иметь 4 палитры: красный, зеленый, коричневый и черный; белый, фуксиновый, циановый и черный: и те же, но с большей интенсивностью окраски.

В принципе, CGA может функционировать и в режиме низкого разрешения (160  200), при котором на экране можно иметь до 16 цветов одновременно. Виду низкого качества изображения режим используется редко и не поддерживается IBM.

В графическом режиме CGA работает с необычном распределении видеопамяти. Информация о четных строках (0, 2, 4,... 198) располагается с началом по адресу 0B8000. Нечетные в последовательности 1, 3, 5,... 199 хранятся, начиная с адреса, на 2000 большего (BA000). Такое распределение использовано по чисто техническим причинам.

 

 

 

 

 
HGA (Hercules Graphics Adapter) - монохромный графический адаптер фирмы Hercules Computer Technology Inc. Появился в 1982 году, но достаточно популярен до сегодняшнего времени. Объясняется это как небольшой стоимостью, так и достаточно высокой разрешающей способностью - 720  348 т. т. Это позволяет в обычном текстовом режиме 80 символов на 25 строк отвести под знаковую матрицу 9 14 пикселей, что определяет высокое качество изображаемого текста. Современные варианты адаптера имеют возможность программной загрузки кодов знакогенератора, что делает возможность работы с национальными шрифтами без аппаратных переделок. Очень удобно реализовано управление формированием графики.

HGA имеет видеопамять объемом 64 Кбайта. В текстовом режиме с ее помощью можно

организовать до 16 страниц текста (64:4), в графическом - до двух экранных страниц (каждому пикселю соответствует 1 бит памяти).

HGA при работе в текстовом режиме предпочтительнее не только CGA, но и описываемого ниже адаптера EGA.

 

 

 
EGA (Enhanced Graphics Adapter) - улучшенный графический адаптер. Создан в 1984 году для IBM PC AT. EGA в состоянии формировать изображение в 16 цветов, выбранных из базовой

 

 

 

 
64-цветной палитры при разрешающей способности 640 350 пикселей. Матрица символа в текстовом режиме имеет размер 8 14, при этом символ формируется матрицей 7 9. Имеет программную загрузку кодов в знакогенератор. С успехом работает как с цветными, так и с монохромными мониторами. Может поддерживать графические режимы всех предыдущих адаптеров IBM. Объем видеопамяти EGA в минимальной конфигурации составляет 64 Кбайта, в максимальной - 256 Кбайт.

 

VGA   (Video   Graphics   Array)   -   видеографическая   матрица.   Данный   адаптер   был разработан в 1987 году для ПК IBM PS/2. Обеспечивает все предыдущие режимы и расширяет их возможности, формируя изображение с лучшей цветностью и более высокой разрешающей способностью.  Может  функционировать  в  17  различных  режимах.  В  графических  режимах

 

 

 

 
достигается  разрешающая способность 640 480 пикселей.  Это  отношение, равное 4:3, соответствует отношению сторон экрана большинства мониторов, что является благоприятствующим  фактором  при  разработке  графики  (легче  избежать непропорциональности изображения). При этом можно одновременно иметь 16 цветов из палитры в 256.

 

 
В текстовом режиме обеспечивается работа с разрешением 720 400 пикселей как при работе с 16 цветами, так и в монохромном режиме. Символ формируется в рамках матрицы

 

 
9  16 точек экрана.

 

 
При  разрешающей  способности  320 200  пикселей  VGA  способен  поддерживать одновременно до 256 цветов из палитры в 262144 оттенка.

Для того, чтобы работать с разрешающей способностью 640 480 т. т. и с 16 цветами, требуется   примерно   230   Кбайт.   Система   VGA   на   системной   плате   PS/2   снабжается видеопамятью 256 Кбайт.

Поскольку формирование изображения с большей разрешающей способностью происходит за счет увеличения числа сканируемых линий, каждая линия должна быть пройдена более быстро. Частота кадров в основных режимах VGA равна 70 Гц, в результате чего удалось избавиться от мерцания экрана в текстовых режимах.

VGA  обеспечивает  почти  полную  совместимость  программного  обеспечения, написанного для предшествующих видеосистем  IBM.

 

 

 

 

 
SVGA (SuperVGA) - супервидеографическая матрица. В настоящее время является лидером в плане коммерческих предложений. Однако соответствующего стандарта, можно сказать, нет. Обычно к SVGA относят адаптеры, которые позволяют получить разрешающую способность 1024 768 т. т. при рабочей палитре 16 цветов из 4096 возможных или 800 600 пикселей при 256 оттенках из палеты до 16 млн. цветов. Видеопамять имеет объем 512 Кбайт и более.

 

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

 

ПО ЭВМ

системное

 

прикладное

ОС

Сервисные системы Инструментальные системы

Системы технического обслуживания

Редакторы

Экспертные системы Базы данных Информационно- поисковые системы Электронные таблицы Обучающие системы САПР

 

Системное программное обеспечение используется для разработки и выполнения программных продуктов, а также для предоставления пользователю ЭВМ определенных услуг. Без системного ПО компьютер, по сути, безжизненен.

Прикладное ПО предназначено для решения определенной целевой задачи или класса таких задач.

 

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Операционная система (ОС) - комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами вычислительной системы(процессором, памятью,  внешними  устройствами памяти или ввода-вывода), а также задачами, использующими эти ресурсы при вычислениях.

Операционные системы классифицируются по:

1) числу одновременных пользователей;

2) числу одновременно решаемых задач;

3) типу доступа пользователя к ЭВМ;

4) типу ЭВМ, для управления ресурсами которых предназначена ОС.

 

Для IBM-совместимых ПК в настоящее время используются:

- ОС семейства DOS (c 1981 г);

- ОС семейства OS/2 (c 1987 г);

- ОС семейства UNIX (разработана в 1969 г).

Наибольшее распространение пока имеют версии DOS, за ними – UNIX и OS/2.

 

Операционная система DOS

 

DOS (Disk Operating System – дисковая операционная система): однозадачная с элементами многозадачности (проявляется, в частности, в том, что возможна фоновая печать; в ОЗУ   можно   разместить   несколько   резидентных   программ   и   т.п.),   требует   640   Кбайт оперативной памяти, наличия НМД для загрузки системного ПО.

 

Существуют три родственных семейства DOS:

1) MS DOS (программный продукт фирмы MicroSoft);

2) PC DOS (от фирмы IBM);

3) DR DOS (разработка Digital Research...).

Различие между одинаковыми версиями - в деталях. Одна из новых разработок - Nowell

DOS 7.0 фирмы Nowell.

 

Характерные черты ОС DOS:

 

1) удобный и простой пользовательский интерфейс;

2) поддержка иерархической (древовидной) файловой структуры;

3) возможность прямого доступа к содержимому файлов;

4) трактовка на логическом уровне устройств ввода-вывода как файлов;

5)  наличие  конвейеров  (средств  передачи  вывода  из  одной  программы  на  вход  другой)  и возможность перенаправления ввода-вывода;

6) модульность структуры, упрощающая перенос ОС на другие типы ЭВМ;

7) небольшой требуемый объем ОП (60 - 70 Кбайт) и внешней памяти;

8) возможность создания в памяти виртуальных дисков;

9) возможность запуска фоновых задач;

10) поддержка национальных алфавитов.

 

Структура DOS

 

Операционная система DOS состоит из следующих основных модулей:

- базовая система ввода-вывода (БСВВ, BIOS);

- блок начальной загрузки (Boot Record);

- модуль расширения BIOSа (МР);

- модуль обработки прерываний;

- командный процессор (COMMAND.COM);

- утилиты DOS (FORMAT.COM, CHKDSK.COM и др.).

Утилиты - сервисные программы, обычно входящие в комплект DOS в виде отдельных загрузочных файлов. Являются необязательной частью.

Размещение модулей DOS BIOS размещается в ПЗУ и имеет следующую структуру:

 

драйвер

драйвер

 

· · ·

драйвер

программа

самотестирования

программа начальной

загрузки

 

BIOS закладывается в компьютер в процессе его изготовления и в этом смысле является неизменяемой частью ОС. Его можно рассматривать и как составную часть аппаратных средств ЭВМ, реализующую определенные программы(firmware). Входящие в него программы и данные обеспечивают выполнение ряда функций по поддержке жизнеспособности ПК:

1) автоматическое тестирование основных аппаратных средств (ОП, клавиатура, дисплей) при включении ЭВМ;

2) вызов блока начальной загрузки DOS (сначала идет чтение с НГМД; если в НГМД диск не установлен, BIOS обращается к НЖМД, присваивая ему статус системного диска);

3) обслуживание системных прерываний (прерывание здесь - прекращение выполнения команд исполняемой в данный момент программы и передача управления специальной программе обработки прерывания. Прерывания делятся на: аппаратные (падение напряжения, нажатие клавиши,   сигнал   от   НМД   и   т.п.),   логические   (результат   нестандартной   ситуации   при выполнении программы: деление на ноль, переполнение и т.д.) и программные, когда одна программа хочет получить определенный сервис со стороны другой программы, причем этот сервис обычно связан с работой аппаратных средств).

BIOS реализует наиболее простые и универсальные услуги DOS по управлению основными внешними устройствами, в частности, по организации ввода-вывода. Эту основную задачу БСВВ решают драйверы - программы, обслуживающие те или иные ВУ (клавиатура, дисплей, НГМД).

Механизм работы драйвера:

 

программа

--------------------- запрос на     выдача обслуживание                      результата

 

драйвер

---------------------

управление    аппаратные

ВУ       прерывания

 

внешнее устройство

---------------------

Блок начальной загрузки (БНЗ) - небольшая программа, единственной функцией которой является загрузка с системного диска в ОП двух частей DOS: модуля расширения BIOSа (- BIO.COM) и модуля обработки прерываний (-DOS.COM). Перечисленные модули размещаются на системном диске на нулевой строке в первом секторе дорожки 00. Длина - 512 байт.

Модуль расширения BIOSa. Позволяет включить в DOS дополнительные драйверы как для новых ВУ, так и для стандартно входящих в состав аппаратуры, но обмен информацией с которыми должен происходить иначе, чем принято в стандартном BIOSe. У модуля расширения есть и еще одна функция: завершение загрузки DOS в ОП. С этой целью МР ДОС передает управление на загруженный к этому времени модуль обработки прерываний, который подготавливает к загрузке командный процессор. После этого управление возвращается к МР ДОС, который производит загрузку КП с диска в ОП и передает ему управление.

Модуль обработки прерываний DOS образует верхний уровень системы, с которым взаимодействует большинство прикладных программ. Компонентами данного модуля являются подпрограммы,    обеспечивающие    работу    файловой    системы,    устройств    ввода-вывода,

обслуживание некоторых ситуаций, связанных с завершением программ.

Командный процессор - основные функции: 1) прием и обработка команд с клавиатуры или из командного файла; 2) исполнение встроенных команд ДОС, находящихся внутри файла COMMAND.COM; 3) загрузка и исполнение внешних программ ДОС и прикладных программ (из файлов типа .COM и .EXE); 4) исполнение файла автозапуска (AUTOEXEC.BAT).

Следующий уровень размещения - системный диск:

 

"скрытые" файлы: BR, МР, модуль обраб. прерыв. обычные файлы: COMMAND.COM, утилиты DOS

------------------------------------------------

 

И, наконец, на любом диске вычислительной системы можно разместить:

 

внешние драйверы и утилиты DOS

-------------------------------------------------

 

Модули на системном диске и утилиты составляют машинонезависимую часть DOS. Модульная структура DOS облегчает ее модификацию.

 

Существуют и т.н. системные драйверы, которые хотя и не обслуживают ВУ, работают как драйверные программы. Они выполняют следующие функции:

- драйвер часов;

- драйвер виртуального диска;

- драйвер мыши;

- драйвер отображаемой памяти;

- драйвер расширенной памяти;

- драйвер верхней памяти.

 

Карта распределения ОП IBM-совместимых ПК

-----------------------------------------

границы         16-ричный участков   адрес

 

00000  таблица векторов прерываний

------------------------------------

глобальные переменные BIOSa

------------------------------------

глобальные переменные DOS

------------------------------------

- BIO.COM

------------------------------------

резидентная часть (COMMAND.COM)

60K                 ------------------------------------ область памяти для прикладных программ (.COM и .EXE)

------------------------------------

стек для программ

------------------------------------

нерезидентная часть КП(COMMAND.COM)

640K   A0000 ------------------------------------

видеопамять, ПЗУ, память УВВ

960K   F0000  ------------------------------------ BIOS

1024K FFFFF ------------------------------------

расширенная память(eXtended memory)

------------------------------------

Верхней памятью   называется память в диапазоне адресoв от 640К до 1024К-1. Эта область стандартно отводится для видеопамяти и ПЗУ, однако в ней обычно остаются незанятые участки, которые с помощью внешних драйверов можно использовать как обычную или отображаемую (expanded) память. Последняя означает, что в верхней памяти находят окно размером  в  64Кбайт,  в  котором  можно  средствами  виртуальной  адресации  отобразить  до четырех 16Кбайт-страниц дополнительной памяти, необходимых в данный момент работы программ ЭВМ. На самом деле физические адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти на несколько Мбайт. Отображаемую разновидность верхней памяти обычно называют HMA-памятью (HMA - High Memory Area).

Свободные участки верхней памяти можно заполнять и избыточной оперативной памятью. Поддержку такой загрузки обеспечивают версии DOS 5.0 и старше (обычно используется входящий в комплект поставки драйвер ЕММ386.ЕХЕ). Чаще всего в эту память помещают  драйверы  и  резидентные  программы,  частично  разгружая  стандартную  память. Такую разновидность памяти обозначают UMB (Upper Memory Blocks).

Процессоры 80286 и выше могут адресоваться к памяти свыше 1 Мбайта. Этот раздел памяти принято называть расширенной (extended). С помощью специальных программ можно использовать эту память для создания временных логических дисков, кэша и т.д. При работе в среде  Windows расширенная память используется  прикладными программами, написанными для этой оболочки.

 

Файловая система DOS

 

Файловая система является функциональной частью ОС, обеспечивающей выполнение операций над файлами. Ее функции:

1) задание способов организации файлов;

2) реализация методов доступа к содержимому файлов;

3) определение способов организации файловой структуры;

4) предоставление средств манипулирования файловой структурой.

Вообще файловая система ДОС является наиболее развитой ее частью. Другие функциональные компоненты ДОС достаточно примитивны. Понятие о файловой структуре ДОС необходимо иметь и пользователю, так как ему приходится самостоятельно создавать и обслуживать файлы на дисках. С каждым файлом в ДОС связываются:

1) составное имя файла;

2) атрибуты файла (R-read only, A-archive, H-hidden, S-system);

3) дата и время создания;

4) длина файла в байтах.

 

Операции над файлами

 

Файловая система ДОС обеспечивает:

1) создание и удаление файлов;

2) переименование и пересылку файлов;

3) позиционирование магнитных головок на данную запись в файле;

4) чтение, запись файлов;

5) поиск файлов;

6) считывание и смену атрибутов файла;

7) считывание и изменение времени создания и длины файлов;

8) перенаправление стандартного ввода-вывода.

 

Каталог - специальный файл, в котором регистрируются другие файлы, объединенные обычно по какому-либо критерию. Каталог имеет имя и в свою очередь может быть зарегистрирован в другом каталоге, т.е. явится в этом случае подкаталогом (дочерним каталогом). Так образуется иерархическая, древовидная файловая структура.

Хотя каталоги и являются файлами, к ним многие стандартные операции неприменимы. Правила поименования каталогов те же, что и для файлов, только редко используется расширение.

На каждом диске имеется единственный корневой каталог, именуемый символом обратного слэша "\". Он создается при форматировании (разметке) диска и не может быть удален никакими средствами.

 

Файловая структура формируется по следующим правилам:

1) каталог или файл может входить только в один каталог;

2) допускается вхождение в различные каталоги одноименных каталогов и файлов;

3)         на        порядок          следования     файлов            и          каталогов       в          каталоге         никаких            ограничений  не накладывается;

4) глубина вложенности каталогов не ограничена.

При сложной древовидной структуре файлов для поиска файла необходимо указывать маршрут его поиска по каталогам.

Полный маршрут (путь) к файлу - последовательность каталогов, ведущая от корневого каталога к этому файлу. В полный маршрут обычно входит и имя накопителя.

Пример файловой структуры гибкого диска:

 

A:

|

|           |           |

IVANOV        fin.com            PETROV

            |          

            |          

 

|

|

|

 

|           |

 

PROGS

 

DATA

 

PROGS

DATA

EXE

|

 

|

|

|

|

 

|           |

|

|

 

|           |

 

 

pr1.pas pr1.pas   |         pr1.pas pr1.dat pr1.exe

|

|           _

|           |

pr1.dat pr2.dat

 

Файлы автозапуска и конфигурирования

 

После  загрузки  интерпретатора  команд  COMMAND.COM,  последний  начинает проверять, имеются ли для него какие-то начальные команды. Он делает это путем поиска файла автозапуска AUTOEXEC.BAT. Если такой файл не обнаруживается, ДОС автоматически выполняет команды DATE и TIME, приглашая к установке даты и времени. Если файл автозапуска найден, то выполняются содержащиеся в нем команды. Набор команд в AUTOEXEC.BAT устанавливается обычно пользователем под свои задачи и имеющееся в компьютере ПО. Обычно в такой набор входит задание маршрутов поиска файлов, инициализация резидентных в памяти программ, загрузка какой-либо программной оболочки (Norton Commander, Windows, DOS Shell etc.).

Уже   при   загрузке   ДОС   производится   определенная   подготовительная   работа   по настройке ДОС для работы в данной системе. На последних стадиях инициализации ДОС находит на системном диске текстовый файл CONFIG.SYS. Этот файл содержит специальные команды, позволяющие настроить систему на конкретную конфигурацию оборудования ПК, адаптировать систему к потребностям конкретного пользователя, повысить эффективность использования системного ПО и производительность ВС в целом. Обычно в файл конфигурирования включают команды управления памятью (использование верхней и расширенной памяти, организация кэша и виртуальных дисков), устанавливаются режимы работы  ДОС,  устанавливаются  новые  драйверы  (мыши,  сканера  и  т.д.),  осуществляется настройка на конкретную страну (формат представления даты и времени и т.п.). Отметим, что большая часть функций конфигурирования системы не может быть выполнена другими средствами ДОС.