Місце операційної системи в архітектурі комп’ютера

Загальні поняття про операційні системи

Апаратну частину сучасної комп'ютерної системи складають один або декілька процесорів, оперативна пам'ять, диски, клавіатура, дисплей, принтери, мережний інтерфейс тощо. Таким чином, — це складна комплексна система. Написання програм машинною мовою, що стежать за всіма компонентами, коректно їх використовують і при цьому працюють оптимально, — украй важка задача. Наприклад, для організації читання блоку даних з диска програміст може використовувати 16 різних команд, кожна з яких вимагає 13 параметрів, таких як номер блоку на диску, номер сектора на доріжці і т. п. Коли виконання операції з диском завершується, контроллер повертає 23 значення, що відображають наявність і типи помилок, які, очевидно, треба аналізувати. Навіть якщо не входити в курс реальних проблем програмування вводу-виводу, зрозуміло, що серед програмістів знайшлося б не багато охочих безпосередньо займатися програмуванням таких операцій. При роботі з диском програмісту-користувачу достатньо уявляти його у вигляді деякого набору файлів, кожний з яких має ім'я. Робота з файлом полягає в його відкритті, виконанні читання або запису, а потім — в закритті файлу. Питання подібні до таких, як "чи слід при записі використовувати вдосконалену частотну модуляцію...", або "в якому стані зараз знаходиться двигун механізму переміщення читаючих головок...", не повинні хвилювати користувача.

З цієї причини комп'ютери оснащують спеціальним рівнем програмного забезпечення, який називають операційною системою. Операційна система відповідає за керування всіма вищеперерахованими пристроями, ховає від програміста всі реалії апаратури і забезпечує користувача для роботи з нею програмами, що мають простий та доступний інтерфейс.

Розташування операційної системи в загальній структурі комп'ютера показане на рис. 1. Унизу розміщене апаратне забезпечення, що у багатьох випадках саме містить два або більше рівнів (шарів). Найнижчий рівень містить фізичні пристрої, до складу яких входять інтегральні мікросхеми, провідники, джерела живлення, електронно-променеві трубки і т. п. Те, як вони улаштовані і як працюють, відноситься до сфери діяльності інженерів та фахівців з електроніки. Вище розташований мікроархітектурний рівень, на якому фізичні пристрої розглядають з погляду функціональних одиниць. Звичайно на цьому рівні розміщені внутрішні регістри центрального процесора (CPU — Central Processing Unit) і арифметико-логічний пристрій. За кожним тактом процесора з регістра вибирають один або два операнди, які обробляє арифметико-логічний пристрій. Результат зберігають в одному або декількох регістрах. У деяких комп’ютерах операції над даними контролюють програмними засобами, які називають мікропрограмами, в інших — апаратно.

Рис 1. Розташування операційної системи в архітектурі комп’ютера.

Наступний рівень називають рівнем ISA (Instruction Set Architecture — архітектура системи команд), який часто називають рівнем машинної мови. Звичайно машинна мова містить від 50 до 300 команд, які призначені переважно для переміщення даних у комп'ютері, виконання арифметичних операцій та порівняння величин. Керування пристроями на цьому рівні здійснюється завантаженням визначених величин у спеціальні регістри пристроїв. Наприклад, дискові можна дати команду читання, записавши в його регістри адресу місця на диску, адресу в основній пам'яті, число байтів для читання і напрям дії (читання або запис). На практиці потрібно передавати більшу кількість параметрів, а статус операції, який повертає диск, досить складний. Крім того, при програмуванні багатьох пристроїв вводу-вbводу (I/O — Input/ Output) дуже важливу роль грають часові співвідношення.

Операційна система призначена для того, щоб сховати від користувача всі ці складності. Вона складається з рівня програмного забезпечення, що частково рятує від необхідності спілкування напряму з апаратурою, надаючи замість цього програмістові зручнішу систему команд. Таким чином, з погляду користувача операційна система виконує функцію розширеного віртуального комп’ютера, у якому простіше програмувати і легше працювати, чим безпосередньо з апаратним забезпеченням реального комп'ютера.

Над операційною системою на рисунку розташовані інші системні програми. Тут знаходяться інтерпретатор команд (оболонка), системи вікон, компілятори, редактори тощо. Важливо розуміти, що подібні програми не є частиною операційної системи, хоча звичайно постачальники комп'ютерів установлюють їх на машини.

Нарешті, над системними програмами розташовані прикладні програми. Звичайно їх користувачі або купують або пишуть для вирішення власних проблем — обробки тексту, електронних таблиць, технічних розрахунків чи збереження інформації в базі даних.

Більшість користувачів комп'ютерів мають певний досвід спілкування з операційною системою, але зазвичай відчувають труднощі при спробі дати її визначення. Певною мірою проблема зв'язана з тим, що операційні системи виконують дві основні, але практично не зв'язані між собою функції: розширення можливостей машини і керування її ресурсами.

Поиск по сайту: