Основной недостаток оперативной памяти заключается в том, что конструктивно достижимый объем ее во много раз меньше, чем дисковой (пока что это было справедливо на всех ступенях технического прогресса). Решить проблему увеличения объема оперативной памяти за счет дисковой позволяет виртуальная память, которую можно считать кэшированием оперативной памяти на диске. Суть ее заключается в том, что программам предоставляется виртуальное пространство оперативной памяти, по размерам превышающее объем физически установленной оперативной памяти. Это виртуальное пространство разбито на страницы фиксированного размера, а в физической оперативной памяти в каждый момент времени присутствует только часть из них. Остальные страницы хранятся на диске, откуда операционная система может их «подкачать» в физическую память на место предварительно выгруженных на диск страниц. Процесс замещения страниц называется свопингом (swapping), а области дисковой памяти, выделяемые для этих целей, — файлами подкачки, или своп-файлами (swap file). Для прикладной программы этот процесс прозрачен (если только она не критична ко времени обращения к памяти). Для пользователя этот процесс заметен по работе диска в те моменты, когда не требуется обращение к файлам. Расплатой за почти безмерное увеличение объема доступной оперативной памяти является снижение средней производительности обращений к памяти и некоторый расход дисковой памяти на файл подкачки. Естественно, размер виртуальной памяти не может превышать суммы размеров ОЗУ и дисковой памяти. Виртуальная память с подкачкой страниц реализуется операционными системами защищенного режима (например, OS/2, MS Windows) на основе аппаратных средств 32-разрядных процессоров (386 и выше), а теперь и 64-разрядных.
Таково в общих чертах устройство подсистемы памяти. Здесь для упрощения изложения опущена система кэширования оперативной памяти, которая для современных процессоров чаще всего является двухуровневой. Об этом подробнее можно прочесть в главе 7. Кроме того, не упоминалось автономное кэширование дисковых устройств, реализуемое в самих накопителях и их высокопроизводительных контроллерах. Эта тема раскрывается в главе 9.
В общем случае в подсистему памяти обязательно входят оперативная память и энергонезависимая память, хранящая, по крайней мере, программу первоначальной загрузки компьютера. Дисковая память как таковая может и отсутствовать. Однако внешняя память с прямым доступом в том или ином виде — будь то действительно дисковые накопители, флэш-диск (не имеющий круглых, а тем более вращающихся деталей) или сетевой диск, отображающий часть диска физически значительно удаленного компьютера-сервера, — является обязательным атрибутом персонального компьютера. Благодаря применению дисковой памяти компьютер становится универсальным устройством, способным выполнять великое множество прикладных программ, интересующих пользователя. Эти программы загружаются в память именно с дисков. Без внешней памяти компьютер вырождается в узкоспециализированное устройство с ограниченным набором функций (например, функций эмуляции терминала или функций интерпретатора языка Basic), «зашитых» в его постоянную память, объем которой не может быть большим по технико-экономическим причинам.
Диски и файловые системы
Дисковая память в компьютере используется для хранения файлов — цепочек байтов, несущих любую информацию. Для данного обсуждения содержимое файлов несущественно — в них могут быть исполняемые программные модули, данные (числовые, текстовые, мультимедийные) и их смесь. Способ размещения файлов на диске и возможности манипуляций с файлами определяются
файловой системой. Каждый файл имеет набор атрибутов, состав которого зависит от используемой файловой системы. «Прожиточный минимум» — это имя файла, его длина и время (и дата) последней модификации; в простейшей файловой системе MS-DOS к этому минимуму добавляются атрибуты системного, скрытого, архивированного и только читаемого файла. Имя файла может задаваться как в классической форме «8.3» (8 символов на имя плюс 3 символа на тип), понимаемой всеми операционными системами, так и в почти произвольной длинной форме, характерной для более сложных ОС (OS/2, Windows 9x/NT/200x/XP, Unix...). Файловая система включает в себя систему каталогов и системы размещения файлов на диске, простейшей из которых можно считать FAT в MS-DOS. Эти системы определяют возможности и эффективность манипулирования файлами — создания, записи, чтения, поиска, модификации, удаления, восстановления удаленных файлов, — а также средства восстановления файловой системы после сбоев, вызванных неисправностями и некорректными действиями пользователей или программ.
Для каждой операционной системы характерны свои файловые системы (одна или несколько), которые она «понимает». Компьютер с незагруженной ОС «не понимает» ни одной файловой системы (в этом его универсальность). Изначально были приняты соглашения, позволяющие «голому» компьютеру загрузить ОС с так называемого системного диска, причем самая первая фаза загрузки выполняется без какой-либо файловой системы.
1.5. Устройства ввода-вывода и коммуникаций
Устройства ввода-вывода связывают компьютер с внешним миром, без них он был бы «вещью в себе». Список устройств, делающих компьютер «вещью для нас», практически не ограничен. К ним относятся дисплеи (устройства отображения, то есть вывода), клавиатура и мышь (устройства ввода), принтеры и сканеры, плоттеры и дигитайзеры, джойстики, акустические системы и микрофоны, телевизоры и видеокамеры и прочие устройства в великом множестве их разновидностей. Любопытно, что в этих парах обычно лидируют устройства вывода, появившиеся в компьютерах раньше соответствующих устройств ввода. Благодаря фантазии и техническому прогрессу появляются все новые и новые устройства; так, например, шлем виртуальной реальности из области фантастики перешел в производственно-коммерческую область. К компьютеру можно подключать датчики и исполнительные устройства технологического оборудования, различные приборы — в общем, все, что в итоге может вырабатывать электрические сигналы и/или ими управляться.
Консолью компьютера называют его «выступающую часть», обращенную к пользователю. В PC стандартной консолью являются клавиатура (устройство ввода) и дисплей, позволяющий отображать символьную информацию (устройство вывода). На консоль выводятся все системные сообщения; с консоли можно управлять компьютером — запускать и принудительно завершать приложения, выполнять перезагрузку ОС и управлять процессом загрузки. Вместо стандартных устройств роль консоли могут играть и иные устройства, способные выводить и вводить символы и имеющие необходимую программную поддержку.
Коммуникационные устройства связывают компьютеры (и другие устройства) в сложные системы, составные части которых могут находиться довольно далеко друг от друга. Коммуникационные устройства обеспечивают передачу информации самого разного назначения. К этим устройствам относятся модемы, адаптеры локальных и глобальных сетей. Соответствующий набор устройств ввода-вывода и коммуникаций позволяет превратить персональный компьютер, например, в факс-машину, аппарат IP-телефонии (голосовой) или видео-конференцсвязи.
1.6. Адаптеры, контроллеры и иерархия подключений периферийных устройств
Компоненты компьютера соединяются друг с другом иерархией средств подключения, наверху которой стоят интерфейсы системного уровня подключения. Для этой группы интерфейсов характерно то, что в их транзакциях фигурируют физические адреса пространства памяти и (если есть) пространства ввода-вывода. Группа связанных между собой интерфейсов системного уровня образует логическую системную шину компьютера. Системную шину составляют следующие физические интерфейсы:
♦ шина подключения центрального процессора (или нескольких процессоров в сложных системах) — FSB (Front Side Bus — фасадная шина)1;
♦ шина подключения контроллеров памяти, оперативной и постоянной; собственно шина памяти (memory bus) системной уже не является, поскольку в ней фигурируют не системные адреса, а адреса физических банков памяти;
♦ шины ввода-вывода, обеспечивающие связь между центральной частью компьютера и периферийными устройствами.
Типичные представители шин ввода-вывода в IBM PC — шина ISA (отмирающая), а также шины PCI (развивающаяся в PCI-X) и PCI-E (PCI Express)*. Через шины ввода-вывода проходят все обращения центрального процессора (ЦП) к периферии. К шинам ввода-вывода подключаются контроллеры и адаптеры периферийных устройств или их интерфейсов.
Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом компьютера. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его некоторая активность — способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы.
Примечание:Это понятие в ряде источников отождествляют с системной шиной, но в данной книге будем пользоваться более широким толкованием понятия «системная шина».
Систему двухточечных соединений PCI Express шиной называть не совсем корректно, но она обеспечивает ту же функциональность, что и предшествующие ей шины расширения.
Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. На эти тонкости терминологии не всегда обращают внимание, и понятия «адаптер» и «контроллер» считают почти синонимами. Для взаимодействия с периферийными устройствами процессор обращается к регистрам контроллера (адаптера), «представляющего интересы» подключенных к нему устройств.
Часть перфиерийных устройств (ПУ) совмещена со своими контроллерами (адаптерами), как, например, сетевой адаптер Ethernet, подключенный к шине PCI. Другие же ПУ подключаются к своим контроллерам через промежуточные периферийные интерфейсы, находящиеся на нижнем уровне иерархии подключений. Периферийные интерфейсы — самые разнообразные из всех аппаратных интерфейсов. К периферии, подключаемой через промежуточные интерфейсы, относится большинство устройств хранения (дисковые, ленточные), устройств ввода-вывода (дисплеи, клавиатуры, мыши, принтеры, плоттеры), ряд коммуникационных устройств (внешние модемы).
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
