Организация и функционирование компьютеров

Увеличение мощности компьютеров в сочетании с их дороговизной имело много следствий. Во-первых, системой стала работа на компьютере нескольких пользователей одновременно. Соответственно в оперативной памяти стали размещаться несколько программ, и поэтому начальный адрес программы может меняться от запуска к запуску. При этом сбиваются рабочие адреса данных в памяти в командах программы. С этой проблемой оказалось справиться несложно. Для вычисления адреса теперь используются две характеристики: базовый начальный адрес размещения программы в памяти, который меняется от запуска к запуску, и смещение адреса относительно начала программы, которое в готовой программе неизменно. Адресный регистр процессора состоит из двух частей: одна содержит базовый адрес, другая смещение относительно начала программы. Из машинных команд извлекаются только смещения. Для конструирования фактического адреса, который и посылается по адресной шине, значение регистра базового адреса складывается со значением регистра смещения адреса. Регистр базового адреса заполняется в момент размещения программы в памяти и затем в процессе выполнения программы не меняется. Изменяется только адресный регистр смещения.

Вторым следствием увеличения мощности компьютера стало увеличение объема программ. Эта, а также некоторые другие причины, привели к усложнению структуры программы, то есть разбиение их на более простые блоки с указанием логики использования этих блоков. Это привело к появлению концепции подпрограммы. Подпрограммой принято называть законченную программу, которая выполняет не самостоятельную, а служебную функцию. Эта функция обычно носит стандартный, повторяющийся характер и может использоваться не в одной, а во многих программах. С точки зрения использующих ее программ от подпрограммы требуется правильное выполнение возложенной на нее функции, а ее внутреннее строение роли не играет. Наличие определенной подпрограммы позволяет программисту в определенных случаях вместо самостоятельного программирования какой-то части программы просто обратиться к услугам специально созданной для этого подпрограммы, пусть даже она создана другим программистом.

Концепция подпрограмм привела к появлению и распространению библиотек подпрограмм, что привело к колоссальному увеличению производительности труда программиста. Одновременно прогресс в технологии сохранения данных на внешних носителях привел к необходимости создания специальных служебных подпрограмм, которые бы обеспечивали эффективную работу с этими внешними устройствами. В результате появились целые комплексы служебных подпрограмм, называемых операционными системами, которые предназначены освободить программистов от программирования стандартных, рутинных операций. Это привело к настоящей революции в принципах работы компьютера. Современные компьютеры даже не начнут работать, если в них нет операционной системы.

В каждом работающем современном компьютере одновременно сосуществует множество программ, которые образуют несколько слоев, или уровней. На самом высшем уровне расположена одна программа, которая называется ядром операционной системы (другое ее название – диспетчер операционной системы). В некотором смысле она является единственной настоящей программой в компьютере. Ядро запускает в качестве своих подпрограмм программы, обеспечивающие различные режимы операционной системы. Те, в свою очередь, в качестве подпрограмм запускают служебные программы операционной системы – утилиты. Если пользователь компьютера хочет выполнить какую-то пользовательскую программу, то она также запускается как подпрограмма ядра операционной системы.