№9. Архитектура фон Неймана – основные признаки (стр. 4 )

Конвейерная обработка. Что необходимо для сложения двух вещественных чисел, представленных в форме с плавающей запятой? Целое множество мелких операций таких, как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т. п. Процессоры первых компьютеров выполняли все эти "микрооперации" для каждой пары аргументов последовательно одна за одной до тех пор, пока не доходили до окончательного результата, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых. Идея конвейерной обработки заключается в выделении отдельных этапов выполнения общей операции, причем каждый этап, выполнив свою работу, передавал бы результат следующему, одновременно принимая новую порцию входных данных. Получаем очевидный выигрыш в скорости обработки за счет совмещения прежде разнесенных во времени операций.

Суперскалярность. Как и в предыдущем примере, только при построении конвейера используют несколько программно-аппаратных реализаций функциональных устройств, например два или три АЛУ, три или четыре устройства выборки.

Hyper Threading. Перспективное направление развитие современных микропроцессоров, основанное на многонитевой архитектуре. Основное препятствие на пути повышения производительности за счет увеличения функциональных устройств – это организация эффективной загрузки этих устройств. Если сегодняшние программные коды не в состоянии загрузить работой все функциональные устройства, то можно разрешить процессору выполнять более чем одну задачу (нить), чтобы дополнительные нити загрузили – таки все ФИУ (очень похоже на многозадачность).

Многоядерность. Можно, конечно, реализовать мультипроцессирование на уровне микросхем, т. е. разместить на одном кристалле несколько процессоров (Power 4). Но если взять микропроцессор вместе с памятью как ядра системы, то несколько таких ядер на одном кристалле создадут многоядерную структуру. При этом в кристалле интегрируются функции (например, интерфейсы сетевых и телекоммуникационных систем) для выполнения которых обычно используются наборы микросхем (процессоры Motorola MPC8260, Power 4).

Реализация высокопроизводительной вычислительной техники в настоящее время идёт по четырем основным направлениям.

1. Векторно-конвейерные компьютеры. Конвейерные функциональные устройства и набор векторных команд - это две особенности таких машин. В отличие от традиционного подхода, векторные команды оперируют целыми массивами независимых данных, что позволяет эффективно загружать доступные конвейеры, т. е. команда вида A=B+C может означать сложение двух массивов, а не двух чисел. Характерным представителем данного направления является семейство векторно-конвейерных компьютеров CRAY куда входят, например, CRAY EL, CRAY J90, CRAY T90 (в марте 2000 года американская компания TERA перекупила подразделение CRAY у компании Silicon Graphics, Inc.).

2. Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью. Идея построения компьютеров этого класса тривиальна: возьмем серийные микропроцессоры, снабдим каждый своей локальной памятью, соединим посредством некоторой коммуникационной среды - вот и все. Достоинств у такой архитектуры масса: если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров, если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию и т. п.

Однако есть и решающий "минус", сводящий многие "плюсы" на нет. Дело в том, что самостоятельным, а скорее представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров (традиционных или векторно-конвейерных) и общей для них памяти сформируем вычислительный узел. Если полученной вычислительной мощности не достаточно, то объединим несколько узлов высокоскоростными каналами. Подобную архитектуру называют кластерной, и по такому принципу построены CRAY SV1, HP Exemplar, Sun StarFire, NEC SX-5, последние модели IBM SP2 и другие. Именно это направление является в настоящее время наиболее перспективным для конструирования компьютеров с рекордными показателями производительности.

3. Параллельные компьютеры с общей памятью. Вся оперативная память таких компьютеров разделяется несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает проблемы предыдущего класса, но добавляет новые - число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, по чисто техническим причинам нельзя сделать большим. В данное направление входят многие современные многопроцессорные SMP-компьютеры или, например, отдельные узлы компьютеров HP Exemplar и Sun StarFire.

4. Кластерные системы. Последнее направление, строго говоря, не является самостоятельным, а скорее представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров (традиционных или векторно-конвейерных) и общей для них памяти сформируем вычислительный узел. Если полученной вычислительной мощности не достаточно, то объединим несколько узлов высокоскоростными каналами. Подобную архитектуру называют кластерной, и по такому принципу построены CRAY SV1, HP Exemplar, Sun StarFire, NEC SX-5, последние модели IBM SP2 и другие. Именно это направление является в настоящее время наиболее перспективным для конструирования компьютеров с рекордными показателями производительности.

№46. Cвязь компьютера с ПУ и нуль-модемная связь двух компьютеров.

Частным случаем связи «точка-точка» является соединение компьютера и периферийного устройства. Для обмена данными компьютер и периферийное устройство оснащены внешними интерфейсами или портами.

Адрес данных в ОП

Тип операции

Информация об устройстве

 

Команды процессора

 

ПУ

Контроллер ПУ Устройство управления

 

Команды и данные

Интерфейс

Рис. 15.1 Связь компьютера с периферийным устройством

В данном случае к понятию интерфейс относятся:

·  разъем;

·  набор проводов;

·  совокупность правил обмена данными по этим проводам.

Со стороны компьютера логикой передачи сигналов на внешний интерфейс управляют:

·  контроллер ПУ – аппаратный блок, часто реализуемый в виде отдельной платы;

·  драйвер ПУ – программа, управляющая контроллером периферийного устройства.

Со стороны ПУ интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления ПУ, хотя встречаются и аппаратно-программные устройства.

Обмен данными между ПУ и компьютером является двунаправленным, таким образом по каналу связи передается следующая информация:

·  данные с контроллера ПУ (например байты текста);

·  команды управления;

·  данные, возвращаемые устройством управления ПУ (например о готовности ПУ).

Рассмотрим последовательность действий, которые выполняются в том случае, когда некоторому приложению требуется напечатать текст на принтере. Со стороны компьютера в выполнении этой операции прини­мает участие, кроме уже названных контроллера, драйвера и приложения, еще один важнейший компонент — операционная система. Поскольку все операции ввода-вывода являются привилегированными, все прило­жения при выполнении операций с периферийными устройствами ис­пользуют ОС как арбитра. Итак, последовательность действий такова:

1. Приложение обращается с запросом на выполнение операции печа­ти к операционной системе. В запросе указываются: адрес данных в оперативной памяти, идентифицирующая информация принтера и операция, которую требуется выполнить.

2. Получив запрос, операционная система анализирует его, решает, может ли он быть выполнен, и если решение положительное, то за­пускает соответствующий драйвер, передавая ему в качестве параме­тров адрес выводимых данных. Дальнейшие действия, относящиеся к операции ввода-вывода, со стороны компьютера реализуются сов­местно драйвером и контроллером принтера.

3.  Драйвер по заданному адресу скачивает данные из ОП в свой буфер и затем передает команды и данные контроллеру, который помеща­ет их в свой внутренний буфер. Контроллер перемещает данные из внутреннего буфера во внешний порт.

4.  Контроллер начинает последовательно передавать биты в линию связи, представляя каждый бит соответствующим электрическим сигналом.
Чтобы сообщить устройству управления принтера о том, что начинается передача байта, перед передачей первого бита данных контроллер формирует стартовый сигнал специфической формы, а после передачи последнего информационного бита — столовый сигнал. Эти сигналы синхрони­зируют передачу байта. Кроме информационных бит, контроллер может передавать бит контроля четности для повышения достоверности обмена.

5.  Устройство управления принтера, обнаружив на соответствующей линии стартовый бит, выполняет подготовительные действия и начинает принимать информационные биты, формируя из них байт в своем приемном буфере. Если передача сопровождается битом четности, то выполняется проверка корректности передачи: при правильно выполненной передаче в соответствующем регистре устройства управления принтера устанавливается признак завершения приема информации. Наконец, принятый байт обрабатывается принтером — выполняется соответствующая команда или печатается символ. Обязанности между драйвером и контроллером могут распределяться по-разному, но чаще всего контроллер поддерживает набор простых команд, служащих для управления периферийным устройством, а на драйвер обычно возлагаются наиболее сложные функции реализации об­мена. Например, контроллер принтера может поддерживать такие эле­ментарные команды, как "Печать символа", "Перевод строки", "Возврат каретки" и т. п. Драйвер же принтера с помощью этих команд реализует печать строк символов, разделение документа на страницы и другие более высокоуров­невые операции. Драйвер, задавая ту или иную последовательность команд, определяет тем самым логику ра­боты периферийного устройства.

Связь двух компьютеров.

А теперь предположим, что пользователь другого компьютера хотел бы распечатать текст. Сложность состоит в том, что к его компьютеру не подсоединен принтер, и требуется воспользоваться тем принтером, кото­рый связан с другим компьютером.

Рис. 15.2 Связь двух компьютеров

Программа, работающая на одном компьютере, не может получить непосредственный доступ к ресурсам другого компьютера — его дискам, файлам, принтеру. Она может только "попросить" об этом другую про­грамму, выполняемую на том компьютере, которому принадлежат эти ре­сурсы. Эти "просьбы" выражаются в виде сообщений, передаваемых по каналам связи между компьютерами. Такая организация печати называ­ется удаленной.

Предположим, что мы связали компьютеры по кабелю через СОМ-порты, которые, как известно, реализуют интерфейс RS-232C (такое соединение часто называют нуль-модемным).

Полное название интерфейса RS-232 звучит так: «интерфейс между терминальным оборудованием и оборудованием передачи данных, обеспечивающий последовательную передачу данных», т. е. DTE-DCE. На текущий момент наиболее популярной версией интерфейса RS-232 является версия C, которая называется RS-232C. 25-ти контактный RS-232C обладает следующими недостатками: отсутствие функций по управлению потоком, ограничения по максимальной длине связи50 футов, ограничения связанные с заземлением. Новая версия RS-232E призвана вытеснить версии C и D.

Связь между ком­пьютерами осуществляется аналогично связи компьютера с ПУ. Только теперь контроллеры и драйверы портов действуют с двух сторон. Вмес­те они обеспечивают передачу по кабелю между компьютерами одного байта информации. (В "настоящих" локальных сетях подобные функ­ции передачи данных в линию связи выполняются сетевыми адаптера­ми и их драйверами.)

Итак, механизм обмена байтами между двумя компьютерами опре­делен. Теперь нужно договориться о правилах обмена сообщениями между приложениями А и В. Приложение В должно "уметь" расшифровать получаемую от приложения А информацию. Для этого программисты, разрабатывавшие приложения А и В, строго оговаривают форматы сооб­щений, которыми будут обмениваться приложения, и их семантику. Например, они могут договориться о том, что любое выполнение удален­ной операции печати начинается с передачи сообщения, запрашивающе­го информацию о готовности приложения В; что в начале сообщения идет число, определяющее длину данных, предназначенных для печати; что признаком срочного завершения печати является определенная кодовая комбинация и т. п. Тем самым, как будет показано дальше, определяется протокол взаимодействия приложений.

Вернемся к последовательности действий, которые необходимо вы­полнить для распечатки текста на принтере "чужого" компьютера.

•  Приложение А формирует очередное сообщение (содержащее, например, строку, которую необходимо вывести на принтер) приложению В, помещает его в буфер оперативной памяти и обращается к ОС с запросом на передачу содержимого буфера на компьютер В.

•  ОС компьютера А обращается к драйверу СОМ-порта, который инициирует работу контроллера.

•  Действующие с обеих сторон пары драйверов и контроллеров СОМ-порта последовательно, байт за байтом, передают сообщение на компьютер В.

•  Драйвер компьютера В периодически выполняет проверку на наличие признака завершения приема, устанавливаемого контроллером при правильно выполненной передаче данных, и при его появлении считывает принятый байт из буфера контроллера в оперативную память, тем самым делая его доступным для программ компьютера В. В некоторых случаях драйвер вызывается асинхронно, по прерываниям от контроллера. Ана­логично реализуется и передача байта в другую сторону — от компьютера В к компьютеру А.

•  Приложение В принимает сообщение, интерпретирует его, и в за­висимости от того, что в нем содержится, формирует запрос к своей ОС на выполнение тех или иных действий с принтером. В нашем примере сообщение содержит указание на печать текста, поэтому ОС передает драйверу принтера запрос на печать строки. Далее выполняются все действия 1 -6, описывающие выполнение запроса приложения к ПУ в соответствии с рассмотренной
ранее схемой "локальная ОС — драйвер ПУ — контроллер ПУ— устройство управления ПУ" (см. предыдущий раздел). В результате строка будет напечатана.

Мы рассмотрели последовательность работы системы при передаче только одного сообщения от приложения А к приложению В. Однако по­рядок взаимодействия этих двух приложений может предполагать неод­нократный обмен сообщениями разного типа. Например, после успеш­ной печати строки (в предыдущем примере) согласно правилам, прило­жение В должно послать сообщение-подтверждение. Это ответное сооб­щение приложение В помещает в буферную область оперативной памяти, а далее с помощью драйвера СОМ-порта передает его по каналу связи в компьютер А, где оно и попадает к приложению А.

№[58]. [Роль и назначение ОС].

Операцио́нная систе́ма, ОС (англ. operating system) — базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.

При включении компьютера операционная система загружается в память раньше остальных программ и затем служит платформой и средой для их работы. Помимо вышеуказанных функций ОС может осуществлять и другие, например, предоставление пользовательского интерфейса, сетевое взаимодействие и т. п.

Основные функции (простейшие ОС):

·  Загрузка приложений в оперативную память и их выполнение;

·  Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода);

·  Управление оперативной памятью (распределение между процессами, виртуальная память);

·  Управление энергонезависимой памятью (Жёсткий диск, Компакт-диск и т. д.), как правило с помощью файловой системы;

·  Пользовательский интерфейс;

Дополнительные функции (развитые современные ОС):

·  Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность);

·  Взаимодействие между процессами;

·  Межмашинное взаимодействие (компьютерная сеть);

·  Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от злонамеренных действий пользователей или приложений;

·  Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы (аутентификация, авторизация).

Существуют две группы определений ОС: «совокупность программ, управляющих оборудованием» и «совокупность программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который, однако, становится ясен только при более детальном рассмотрении вопроса о том, зачем вообще нужны операционные системы.

Есть приложения вычислительной техники, для которых ОС излишни. Напр., встроенные микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), сотовых телефонах и т. п. Зачастую такой компьютер постоянно исполняет лишь одну программу, запускающуюся по включении. И простые игровые приставки — также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без ОС, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске. (Многие встроенные компьютеры и даже некоторые игровые приставки на самом деле работают под управлением своих ОС).

Операционные системы, в свою очередь, нужны, если:

·  вычислительная система используется для различных задач, причём программы, исполняющие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев ОС отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные ОС, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы с вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;

·  различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Напр., простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция — тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, ОС предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);

·  между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от чужого взора, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;

·  необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, «нарезает» процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочередно различным исполняющимся программам (процессам);

·  наконец, оператор должен иметь возможность, так или иначе, управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды, одна из которых — оболочка и набор стандартных утилит — является частью ОС (прочие, такие, как графическая операционная среда, образуют независимые от ОС прикладные платформы).

№[57]. [Последовательная и параллельная передача].

При последовательной передаче биты передаются один за другим.

При параллельной передаче два или более бита идут одновременно по отдельным линиям.

Параллельная передача более проста в организации, но более дорогостоящая и медленная.

Последовательная передача требует меньше линий и имеет более высокую скорость передачи.

Рисунок 5.3  Последовательная и параллельная передача данных

40. Система математического обеспечения компьютера.

Иногда говорят, что вычислительная техника (hardware) без программ, олицетворяющих действия людей по управлению ею, мертва и бездушна как всякое железо. И только программное обеспечение (software) вдыхает жизнь в эти кристаллы, разъемы и провода, заставляет компьютеры делать все те чудеса, которым мы не перестаем удивляться.

 

Рис. 1 Программное обеспечение компьютера

Пакеты прикладных программ представляют собой структурированные комплексы программ (часто со специализированными языковыми средствами), предназначенные для решения определенных задач, а также для расширения функций ОП (управления базами данных и др.). Аппаратные средства ЭВМ и система ее программного обеспечения образуют вычислительную систему. За более чем полувековую историю развития ЭВМ многие поколения программистов создали гигантский объем программного обеспечения (ПО). Зачастую он создавался стихийно, под влиянием различных обстоятельств, поэтому чтобы разобраться в этом многообразии попробуем создать некоторую классификацию.

Прежде всего, все программное обеспечение можно разделить на общее и специальное. Общее ПО рассчитано на самый широкий круг пользователей и используется почти на каждом компьютере. Специальное ПО разрабатывается для решения конкретной задачи, оно как правило уникально. В качестве примера укажем на разнообразные бухгалтерские и банковские системы, которые часто разрабатываются под заказ, хотя есть и исключения. Общее ПО, в свою очередь, подразделяется на системное, служащее для разработки программ и поддержки вычислительного процесса на компьютере (операционные системы, системы программирования, различные вспомогательные программы) и прикладное, иначе называемое пакетами прикладных программ (ППП). Типичными ППП являются текстовые процессоры, системы управления базами данных (СУБД), электронные таблицы, некоторые другие широко распространенные программы. Граница раздела между упомянутыми классами весьма условна и в процессе эволюции постоянно передвигается в пользу общего ПО.

Общее программное обеспечение — это ценнейший интеллектуальный ресурс, накопленный человечеством за последние полвека. В его разработку вложены миллионы человеко - лет труда нескольких поколений программистов, потрачены многие миллиарды долларов. Каждое десятилетие внесло свой существенный вклад в формирование общего ПО.

• 50-е годы: библиотеки стандартных программ, низкоуровневые языки и системы автоматизации программирования (ассемблеры и автокоды);

• 60-е годы: высокоуровневые языки и системы автоматизации программирования, пакетные операционные системы;

• 70-е годы: диалоговые операционные системы, системы управления базами данных (СУБД);

• 80-е годы: пакеты прикладных программ для персональных компьютеров, системы автоматизации проектирования (CASE);

• 90-е годы: программное обеспечение компьютерных сетей, мультимедиа.

Библиотеки стандартных программ и ассемблеры

Первые вычислительные машины вообще не имели никакого общего программного

обеспечения. Программы для решения конкретных задач писались с нуля, в машинных двоичных кодах (для сокращения записи использовалась восьмеричная или шестнадцатеричная система, но это не меняло сути) в абсолютных адресах, они загружались в чистую оперативную память. Процесс был мучительным и трудоемким. На каждом этапе возникали ошибки, поэтому отладить программу даже в тысячу команд было уже очень трудно. Первоочередной задачей программистов на данном этапе было создание библиотек, которые обеспечивали бы вызов стандартных программ из внешней памяти и автоматически подключали их к главной программе.

Вторая проблема была связана с мнемоническим кодированием и автоматическим распределением памяти. Впервые она была решена в Кембридже в Великобритании на ЭВМ EDSAC (1949 г.). Вместо того, чтобы записывать коды операций двоичными цифрами программист писал текст программы на символическом языке, пользуясь мнемоническими обозначениями операций и условными адресами, а специальная программа (руководитель проекта Морис Уилкс назвал ее собирающей системой — по английски assembly system) автоматически преобразовывала мнемонические коды в понятные машине двоичные, и распределяла память для выполнения программы. Идея оказалась столь продуктивной, что все последующие поколения программистов на всех ЭВМ отказались от абсолютного кодирования. Языки программирования низкого уровня, в которых коды операций заменены мнемоническими обозначениями, стали называться языками ассемблера или автокодами (мнемокодами), а преобразующие программы — ассемблерами.

Высокоуровневые языки и системы автоматизированного программирования

В 60-е годы объем производства ЭВМ резко возрос, появились разнообразные машины второго поколения, они вышли из узких стен научных и военных учреждений, начали использоваться в бизнесе. Резко расширился круг решаемых задач, соответственно возросло и число людей, занятых программированием. Языки низкоуровневого кодирования, реализованные в ассемблерах, ненамного облегчили их тяжкий труд. Голубой мечтой казалась возможность полной автоматизации программирования, когда программист пишет математические формулы на привычном символическом языке, а компьютер самостоятельно преобразовывает их в тексты машинных программ.

Языки и системы программирования наиболее бурно развивались в 60-е годы, когда были разработаны основные принципы их построения и родились многие сотни языков различного назначения. В результате естественного отбора до конца века дожили немногие «великие языки», в которых воплощены пять основных концепций современного программирования:

• процедурное программирование, составляющее основу классических алгоритмических языков Фортран, Бэйсик, Кобол, Алгол, Си и др.;

• объектно-ориентированное программирование (ООП), в чистом виде присутствующее в языке Smalltalk, и в той или иной степени — во всех современных языках;

• визуально-событийное программирование, являющиеся развитием ООП в части работы с особыми классами визуальных объектов, реализованное в визуальных средах Visual Basic, Delphi, Visual Fux Pro, Visual C++, Visual Age, Java и др.;

• функциональное программирование, реализованное в языке обработки списков Лисп;

• логическое программирование, воплощенное в декларативном языке Пролог.

Диалоговые ОС и СУБД

70-е годы — время безраздельного господства унифицированных машин из клона IBM 360/370. Компьютеры по-прежнему были безумно дороги, но их мощность и надежность резко возросли. Начали создаваться крупные информационные системы для промышленных и торговых предприятий, банков, социальных учреждений. Пользователи перестали бегать с колодами перфокарт — на их рабочих местах появились дисплеи, подключенные к центральной ЭВМ, расположенной в вычислительном центре фирмы. Для организации вычислительного процесса в этих условиях понадобились операционные системы нового типа, позволяющие организовать диалог большого числа пользователей в режиме разделения времени. Родина таких систем — Массачусетский технологический институт (МТИ), где, начиная с середины 60-х годов, проводились экспериментальные работы, но крупные промышленные диалоговые ОС разрабатывались фирмами — производителями аппаратуры. Создание крупных информационных систем поставило перед разработчиками общего ПО проблему хранения больших массивов данных и организации их обработки множеством независимых программ. Так возникла концепция систем управления базами данных (СУБД). Разработка эффективных СУБД оказалась задачей не мене трудоемкой, чем проектирование ОС, первая промышленная СУБД IMS для IBM 360/370 была создана корпорацией IBM в годах в рамках проекта полета человека на Луну «Аполлон» и потребовала очень больших капиталовложений.

Использование СУБД произвело настоящую революцию в индустрии обработки данных. Многие заказные кустарные программы, осуществляющие стандартные операции над данными, оказались ненужными, они были вытеснены надежными промышленными продуктами. Это— характерный пример того, как специальное ПО становится общим.

Прикладные программы и CASE – технологии

В конце 70-х наступил золотой век софтверного бизнеса, возникли тысячи фирм, выбросивших на рынок необъятное море пакетов прикладных программ для деловых применений и развлечений. Они в корне отличались от «тяжелого» софта 70-х годов — были простыми, дешевыми, играли на экранах всеми цветами радуги, упаковывались в яркие коробки и продавались в магазинах как книги или грампластинки. На невероятно расширившемся рынке программного обеспечения возникла ожесточенная конкуренция. Как это бывает с товарами ширпотреба, коммерческий успех того или иного продукта часто обуславливается не техническими параметрами, а широкой рекламой, продуманной маркетинговой политикой. Показательна в этом отношении судьба фирмы Microsoft ее активная, даже агрессивная маркетинговая стратегия привела к тому, что продукция Microsoft стала фактическим стандартом на рынке офисного ПО, а операционная система Windows сумела победить более прогрессивную по своим идеям систему OS/2 фирмы IBM.

Повальное увлечение домашними компьютерами и потребительским софтом как-то отодвинуло в тень работы по совершенствованию серьезного общего программного обеспечения. По-видимому, самым большим успехом в этом направлении в 80-е годы можно считать разработу CASE-технологий, то есть технологий автоматизированного проектирования программного обеспечения (CASE — Computer Aided Software Design). Их необходимость возникла при создании информационных систем для крупных организаций, объединяющих сотни пользователей и оперирующих с тысячами объектов и экранных форм. Даже применение языков высокого уровня таких как Cobol, Pascal или C и средств СУБД не избавляет программиста от рутинной работы по проектированию связанных информационных таблиц и организации диалога. Автоматизированные технологии позволяют отказаться от большинства механической работы. На специальных языках сверхвысокого уровня, символьных или графических (они часто называются языками четвертого поколения 4GL — 4th Genrration Language), описывается содержательная постановка задачи, а система сама, пользуясь встроенными в нее стандартными правилами проектирования, генерирует код на обычном языке программирования. Программисту остается подправить текст, если он его почему-то не устраивает, пропустить через компилятор и получить готовую программу.

Компьютерные сети и мультимедиа

Компьютерные сети начали развиваться исподволь с начала 70-х годов, но именно в 90-е годы скорость их распространения превысила некоторый критический порог. Произошло то, что специалисты предсказывали давно: вычислительная техника и техника связи, слившись воедино как две половинки атомного заряда, привели к подлинному информационнму взрыву. Миллионы компьютеров, разбросанных по всему свету, оказались связанными всемирной паутиной Интернета. Гигантские объемы научной, культурной и всякой другой информации сделались доступными любому рядовому пользователю, оказались, по меткому выражению Билла Гейтса «на кончиках пальцев».

Появление «сети сетей» — Интернета — вызвало рождение целой отрасли нематериального производства — сетевого бизнеса. Тысячи фирм делают деньги «из воздуха», занимаясь предоставлением доступа в Интернет (Internet providing) и предоставляя различные услуги по организации электронной почты, публикации и поиску информации в сети, размещению рекламы, электронной торговле и т. д. Годовой оборот таких гигантов сетевой индустрии как America On Line (AOL), Yahoo, Amazon измеряется миллиардами долларов, и это только начало.

Развитие сетевых технологий потребовало разработки соответствующего слоя общего программного обеспечения. Историю и современное состояние компьютерных сетей, а также их программного обеспечения мы будем рассматривать в главе 4, а сейчас несколько слов скажем еще об одном важном достижении, которое в 90-х годах перешло из разряда экспериментальных в общедоступные. Речь идет о мультимедиа-технологиях. Буквальный перевод слова multimedia — «многие среды». Имеются в виду типы объектов, с которыми имеет дело компьютер. В прежние времена вариантов было немного: стандартный компьютер вводил, обрабатывал и выводил только строки символов или неподвижные картинки, на большее не хватало ни мощности процессора, ни объема памяти, ни возможностей устройств вввода-вывода. Однако в последние годы эти характеристики достигли такого состояния, что появилась возможность существенно рас-

ширить класс обрабатываемых объектов.

Операционные системы

История операционных систем начинается в 60-е годы, когда для облегчения труда операторов и экономии машинного времени были созданы первые программы-автооператоры и мониторные системы. Впоследствии они развились в операционные системы следующих основных типов:

• пакетные (однозадачные и с мультипрограммированием);

• диалоговые (с разделением времени — ОС РВ);

• системы реального времени.

Пакетные операционные системы, поддерживающие режим мультипрограммирования, были разработаны в начале 60-х годов. Наиболее совершенной системой такого типа было OS/360 MVT для IBM S/360. Следующий этап в развитии ОС для больших ЭВМ — диалоговые операционные системы с разделением времени (ОС РВ). Экспериментальные ОС такого типа, сформировавшие идеологию систем, были созданы в Массачусетском технологическом институте. Сама идея была высказана Джоном Маккарти в 1961 году, проект Multics под руководством Фернандо Корбато реализовывался во второй половине 60-х годов. Промышленные ОС РВ появилсь в 70-х годах, их разработка и доводка выполнялась как правило фирмами-производителями соответствующих ЭВМ, например, OS/VM для IBM S/360 или RSX-11 для PDP-11. Для отечественной ЭВМ БЭСМ-6 также было разработаны ОС «Диспак» и «Дубна». Среди ОС РВ особое место занимает система Unix, первый вариант которой был разработан Кеннетом Томпсоном и Деннисом Ричи в Bell Laboratories в 1969 году. Написанная на машинно-независимом языке Си, она является портируемой, то есть допускает перенос на различные аппаратные платформы. Это свойство, а также доступность и бесплатность исходного кода, сделали Unix чрезвычайно популярной в 80-х и 90-х годах. Однако доступность исходного кода привела к тому, что единая система перестала существовать, образовалось множество хоть и близких по существу, но различающихся в деталях Unix-подобных систем, как бесплатных, так и коммерческих, например, Solaris от Sun, AIX от IBM, Xenix от Microsoft.

Появление персональных ЭВМ в 80-х годах породило новый класс настольных операционных систем, которые на первыхпорах относились к классу простейших пакетных однозадачных ОС. Для первого поколения 8-битовых ПК характерной была ОС CP/M, разработанная в 1976 году Гэри Килдолом. Второе поколение, ознаменовавшиеся выпуском 16-битовой IBM PC, оснащалось в основном операционной системой MS-DOS, выпущенной фирмой Microsoft в 1981 году. Эта система стала классической ОС для 80-х годов, однако ей присущи принципиальные недостатки, вытекающие из ограниченности аппаратных ресурсов:

• однозадачный режим работы,

• отсутствие встроенных средств управления расширенной памятью и внешними устройствами, прикладная программа должна решать эти задачи сама;

• отсутствие унифицированного графического интерфейса, каждое приложение имеет свою логику взаимодействия с пользователем.

Третье поколение 32-битовых персональных компьютеров, появившееся к концу 80-х годов, обладало достаточными аппаратными возможностями для организации графического человеко-машинного интерфейса. Идеи этого интерфейса, разработанные еще в 70-х годах в Xerox PARC, были впервые широко использованы фирмой Apple в операционной системе Mac OS для ЭВМ Macintosh, выпущенной в 1984 году. Фирма Microsoft, отставшая в этом отношении от Apple, выпустила в 1985 году графическую надстройку над DOS под названием Windows. Первые две версии коммерческого успеха не имели, и только Windows 3.0, появившаяся в 1990 году, стала завоевывать рынок. К концу века Microsoft с настольными ОС Windows-95/98/Me, поддерживающими многозадачный режим работы, стала фактическим монополистом на рынке ОС для платформы Intel, победив в конкурентной войне фирму IBM с ее OS/2.

Кроме настольных ОС, в 90-е годы разрабатывались серверные операционные системы, являющиеся прямыми потомками ОС с разделением времени 70-х и 80-х годов. На рынке доминировали NetWare фирмы Novell, Windows NT фирмы Microsoft и различные версии Unix, среди которых наиболее активно развивалась бесплатная система Linux, первая версия которой была создана в 1991 году финским студентом Линусом Торвальдсом.

Особый класс операционных систем — системы реального времени. Они применяются в системах управления технологическими процессами, в которых критическим является время реакции системы на запросы внешних устройств.

Системы управления базами данных (СУБД), появившиеся в середине 60-х годов, имеют ряд преимуществ по сравнению с прежней схемой независимой работы программ с данными:

• однократный ввод данных,

• независимость программ от данных,

• сокращение затрат на программирование.

Основные функции СУБД:

• описание логической структуры данных,

• манипулирование данными,

• обеспечение целостности данных,

• обеспечение многопользовательского доступа,

• защита данных.

Существуют три основных типа СУБД, различаюшиеся логической организацией данных: иерархические, сетевые и реляционные. Первыми были иерархические СУБД (первая промышленная СУБД IMS была разработана фирмой IBM в 1968 году), затем в результате теоретических исследований, предпринятых рабочей группой КОДАСИЛ, появилась сетевая модель данных. Наиболее совершенными и распространенными в настоящее время являются реляционные СУБД, основанные на табличной (реляционной) модели данных, предложенной в 1970 году сотрудником IBM Эдгаром Коддом. Стандартным языком запросов в такой СУБД является язык SQL, разработанный в 1974 году Чемберленом и Бойсом.

Современные промышленные СУБД являются очень дорогими и долгоживущими программными продуктами, соизмеримыми по сложности с операционными системами. К концу века на рынке лидирует «большая шестерка»: Oracle, DB2, Informix, Sybase, Ingres, MS SQL Server.

Микрокомпьютерная революция и появление персональных ЭВМ в корне изменили ситуацию на рынке программного обеспечения. Из профессионального инструмента оно превратилось в товар массового спроса, доступный миллионам неквалифицированных пользователей. В 80-е годы на рынок было выброшено множество пакетов прикладных программ (ППП) для персональных компьютеров, расцвел софтверный бизнес, авторы удачных разработок в одночасье делали миллионные состояния. К наиболее популярным ППП относятся текстовые редакторы, электронные таблицы и настольные СУБД.

Рынок текстовых редакторов делится на три основных сектора: простейшие текстовые редакторы, текстовые процессоры широкого применения типа MS Word и настольные издательские системы, берущие начало от пакета Page Maker, разработанного в 1985 году для Apple Macintosh. Особое место среди издательских пакетов занимает система TeX, созданная классиком информатики Дональдом Кнутом и принятая в качестве стандарта многими научными журналами Электронные таблицы были изобретены сотрудником Digital Equipment Corp. Дэниэлом Бриклином и впервые реализованы им совместно с Робертом Фрэнкстоном в 1979 году для персонального компьютера Apple-II. Лидером рынка электронных таблиц в среде MS DOS был пакет Lotus 1-2-3, разработанный основателем фирмы Lotus Development Митчелом Кэпором в 1982 году. После появления Windows наиболее распространенной стала система Excel фирмы Microsoft.

41. Программная модель процессора i486.

Программная модель описывает окружение для прикладного программирования (исключая возможности вещественной арифметики), с точки зрения программистов, работающих на языке ассемблера. В ней описываются основные особенности архитектуры процессора.

Кэш 2-го уровня 512 Кбайт

 

Шина

Внутрисистемный интерфейс

PCI Локальная

шина памяти

Кэш 1-го уровня данных

Кэш 1-го уровня команд

Локальная шина Кэш-памяти Локальная шина связи с мостом

 

Re Order Buffer – буфер перестройки команд

Блок Блок Блок вызова, отправки, возврата декодирования выполнения Конвейер – 7 стадий Блок 1 Блок 2 Блок 3 Регистровый АЛУ АЛУ ММХ файл Блок загрузки, сохранения

Устройство Управления

 

Центральный процессор

Рис. 5.5 Архитектура процессора Pentium II (выдаем его за i486=)))))

Pentium II – один из процессоров семейства Intel. Он содержит ту же архитектуру системы команд, что и 80486, Pentium, Pentium Pro, однако с точки зрения аппаратного обеспечения, он представляет собой нечто большее. Действительно, он может обращаться к 64 Гбайт физической памяти, передавать данные в память и из памяти блоками по 64 бита, хотя и является 32-разрядной машиной. Более того, Pentium II является суперскалярным процессором.

Pentium II имеет двухуровневую кэш-память с полной Гарвардской архитектурой. Кэш первого уровня содержит 16 Кбайт для команд и 16 Кбайт для данных, а кэш-память второго уровня содержит 512 Кбайт команд и данных. Строка кэша состоит из 32 байт и работает на частоте процессора, тактовая частота кэша второго уровня в два раза меньше. На рисунке 5.5 показаны основные компоненты центрального процессора: блок вызова/декодирования, блок отправки/выполнения и блок возврата, которые вместе действуют как конвейер высокого уровня. Эти три блока обмениваются данными через пул команд - Re Order Buffer (буфер перестройки команд). Если говорить кратко, блок вызова/декодирования вызывает команды и разбивает их на микрооперации для хранения в ROB, блок отправки/выполнения получает микрооперации из буфера и выполняет их, блок возврата завершает выполнение каждой операции и обновляет регистры.

Блок вызова/декодирования содержит семи стадийный конвейер, блок отправки/выполнения содержит в своем составе блоки выполнения операций над целыми числами, блоки выполнения операций над числами с плавающей точкой и блоки выполнения команд ММХ (мультимедийная обработка данных). Блок возврата содержит в своем составе большой регистровый файл в регистрах которого хранятся значения завершенных команд, промежуточные результаты и т. д.

Система локальных шин и интерфейсов связывает ЦП с кэш-памятью второго уровня и мостом PCI, который играет важную роль в коммуникации обрабатываемых данных. Эти устройства находятся на материнской плате.

Микропроцессор на аппаратном уровне поддерживает мультипрограммный режим работы ЭВМ, то есть возможность иметь в памяти одновременно несколько готовых к выполнению программ, запуск которых осуществляется операционной системой в соответствии с алгоритмами ее функционирования либо в зависимости от особых ситуаций, складывающихся в работе внешних устройств. С этой возможностью неразрывно связаны средства защиты памяти, которые обеспечивают контроль над неразрешенными взаимодействиями между отдельными программами. Они включают в себя защиту при управлении памятью и защиту по привилегиям.

Главные особенности расширенного формата команды - возможность использовать любой из регистров общего назначения в любом из режимов адресации, а также добавление еще одного режима адресации - относительного базового индексного с масштабированием. При этом эффективный адрес формируется следующим образом:

ЭА = (base) + (index) · scale + disp,

где (base) - значение базового регистра; (index) - значение индексного регистра; scale - величина масштабного множителя; disp - значение смещения, закодированного в самой команде.

Отметим, что в 32-разрядной архитектуре эффективный адрес обычно называют смещением (offset), в то же время отличая его от смещения, кодируемого в самой команде (displacement).