НОУ ІНТУІТ, Лекція, Структурно-функціональна організація ЕОМ
Усі пристрої ЕОМ діляться на центральні та периферійні. Центральні пристрої - повністю електронні, периферійні пристрої можуть бути електронними або електромеханічними з електронним управлінням.
До складу центральних пристроїв ЕОМ входять: центральний процесор, основна пам'ять та ряд додаткових вузлів, що виконують службові функції.
Периферійні пристрої поділяються на два види: зовнішні ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) та пристрої введення-виведення (УВВ): клавіатура, дисплей, принтер, миша, адаптер каналів зв'язку (КС) та ін.
Організація функціонування ЕОМ із магістральною архітектурою
У складніших випадках, отримавши сигнал, що пристрій відгукнулося, як передавати команду, ЦП запитує пристрій про його стан. Поточний стан пристрою закодовано в байті стану, який пристрій передає процесору через ШД системної магістралі. Якщо пристрій увімкнений і готовий до роботи, то байт стану - нульовий. Наявність в ньому одиниць свідчить про позаштатну ситуацію, яку ЦП намагається проаналізувати і в необхідних випадках повідомляє оператора про ситуацію, що склалася.
Взаємодія МП із зовнішніми пристроями передбачає виконання логічної послідовності дій, пов'язаних із пошуком пристрою, визначенням його технічного стану, обміном командами та інформацією. Ця логічна послідовність дій разом із пристроями, що реалізують її, отримала назву "інтерфейс введення-виводу".
p align="justify"> Для різних пристроїв можуть використовуватися різні логічні послідовності дій, тому інтерфейсів введення-виведення може в одній і тій же ЕОМ використовуватися кілька. Якщо їх вдається звести до одного, універсального, тотакий інтерфейс називається стандартним. У IBM PC є три стандартні інтерфейси для зв'язку ЦП із зовнішніми пристроями: паралельний (типу Centronics) і два послідовні (типу RS-232 і USB).
Інтерфейси постійно вдосконалюються, тому з появою нових ЕОМ, нових зовнішніх пристроїв і навіть нового програмного забезпечення з'являються нові інтерфейси. Так, у програмному забезпеченні, розробленому провідними фірмами (у тому числі фірмою Microsoft) все ширше використовується новий інтерфейс "Plug and Play" ("Увімкни та грай"), який призначений для полегшення системного налаштування ЕОМ при підключенні нових пристроїв до машини. Цей інтерфейс дозволяє підключити за допомогою кабелю новий пристрій, а після увімкнення ЕОМ її програмне забезпечення автоматично визначає склад підключених пристроїв, їх типи та налаштовує машину на роботу з ними без втручання системного оператора.
Якщо при зверненні ЦП до зовнішнього пристрою продовження виконання основної програми ЦП можливе лише після завершення операції введення-виведення, то ЦП, запустивши зовнішній пристрій, переходить у стан очікування і перебуває в ньому доти, доки зовнішній пристрій не повідомить його про закінчення обміну даними . Це призводить до простою більшості пристроїв ЕОМ, тому що в кожний момент часу може працювати тільки один з них. Такий режим роботи отримав назву однопрограмного - у кожен момент часу всі пристрої перебувають у стані очікування, і лише один пристрій виконує основну (та єдину) програму.
Для ліквідації таких простоїв та підвищення ефективності роботи обладнання зовнішні пристрої зроблені автономними: отримавши від ЦП необхідну інформацію, вони самостійно організують свою роботу з обміну даними. А процесор, запустивши зовнішнєпристрій намагається продовжити виконання програми. При необхідності (якщо зустрінуться відповідні команди) він може запустити в роботу кілька інших пристроїв (оскільки зовнішні пристрої працюють значно повільніше за процесор). Якщо ж йому доводиться переходити в режим очікування, то, користуючись тим, що в ВП може одночасно бути не одна, а кілька програм, ЦП переходить до виконання чергової програми. При цьому створюється ситуація, коли в той самий момент часу різні пристрої ЕОМ виконують різні програми, або різні частини однієї і тієї ж програми. Такий режим роботи ЕОМ називається багатопрограмним.
Організація роботи ЕОМ під час виконання завдання користувача
Організація процесів введення, перетворення та відображення результатів в ЕОМ відноситься до сфери системного програмного забезпечення. Це складні процеси, які найчастіше робляться "прозорими", тобто. непомітними для користувача. Один з них - реалізація завдання користувача: професійний користувач (програміст) пише завдання для ЕОМ у вигляді програми алгоритмічною мовою. Написане завдання (програма) є вихідний модуль, супроводжуваний управляючими реченнями, що вказують операційній системі ЕОМ, якою мовою написана програма і що з нею треба робити. Якщо програма пишеться алгоритмічною мовою, то керуючі пропозиції - мовою управління операційною системою (у Windows всіх версій це скрипти, оформлювані як командних файлів).
Вихідний модуль перед виконанням повинен бути переведений на внутрішню мову машини. Ця операція виконується спеціальною програмою-транслятором. Як транслятор може виступати компілятор, або інтерпретатор (рис.16.1).
Подання машинноїпрограми у вигляді вихідних, об'єктних та завантажувальних модулів дозволяє реалізувати найбільш ефективні програмні комплекси. Наприклад, якщо за однією і тією ж програмою необхідно багато разів проводити розрахунки, то неефективно витрачати щоразу час на трансляцію та редагування програми – її потрібно оформити у вигляді завантажувального модуля та зберігати у відповідній бібліотеці. При зверненні до такої програми відразу викликатиметься програма вибірки для завантаження відповідного модуля (а етапи компіляції та редагування зв'язків будуть опускатися), і час виконання програми істотно скоротиться.
Особливості управління основною пам'яттю ЕОМ
Алгоритми розподілу, використання, звільнення ресурсів та подання до них доступу призначені для найбільш ефективної організації роботи всього комплексу пристроїв ЕОМ. Розглянемо їх з прикладу управління основний пам'яттю.
Виділення ресурсів може бути здійснено самим програмістом (особливо якщо він працює мовою, близькою машинною), але може здійснюватися і операційною системою.
Якщо виділення ресурсів проводиться перед виконанням програми, такий процес називається статичним переміщенням, в результаті якого програма "прив'язується" до певного місця пам'яті обчислювальної машини. Якщо ж ресурси виділяються у процесі виконання програми, це називається динамічним переміщенням, у разі програма не прив'язана до певного місця у реальної пам'яті. Динамічний режим можна реалізувати лише за допомогою операційної системи.
При статичному переміщенні можуть трапитися два випадки.
І тут програміст (чи операційна система) змушений вирішувати проблему, як організувати виконання програми. Методів вирішенняпроблеми існує кілька: можна створити оверлейну структуру (тобто. розбити програму на частини, що викликаються в ОП у міру необхідності), зробити модулі програми реентерабельними (тобто, що допускають одночасну роботу модуля за кількома зверненнями з різних частин програми або різних програм ) і так далі.
Працюючи в мультипрограммном режимі може скластися ситуація, коли між програмами утворюються незайняті ділянки пам'яті. Такий стан називається фрагментацією реальної пам'яті. Воно притаманно систем зі статичним переміщенням (рис.16.4).
У системах з динамічним переміщенням програм завантажувач розміщує програму у вільній частині пам'яті і допускає використання несумежних її ділянок (рис.16.5).
У цьому випадку є більше можливостей для організації мультипрограмної роботи, а отже, і більш ефективного використання тимчасових ресурсів ЕОМ.
При високих обсягах реалізованих програм з'являються деякі протиріччя організації мультипрограмного режиму роботи і проблеми динамічного розподілу ресурсів.
Таблицю сегментів містить кожна програма, що виконується.
Використанням сегментації програм досягається зменшення фрагментації основної пам'яті, але повністю фрагментація не усувається - залишаються фрагменти, довжина яких менша за довжину сегментів програми.
Якщо сегменти розділити на одну або кілька одиниць, званих сторінками, які мають фіксований розмір, то оскільки розмір сторінки досить малий у порівнянні зі звичайним розміром сегментів, фрагменти ОП, що не використовуються, значно скорочуються в об'ємі, буде відбуватися так звана фрагментація всередині сторінок. Отже, втрати все-таки залишаться, але вони будуть значно меншими. Така організація використання ресурсів називається сегментно-сторінковою.
Формування сегментно-сторінкової структури виконується автоматично з допомогою операційної системи.