Как компьютер работает с информацией

Как компьютер обрабатывает информацию

Почти в каждом доме есть компьютер и даже не один, а несколько. Но мало кто понимает, как компьютер обрабатывает информацию и понимает нас. Если вы недавно закончили школу или еще учитесь, то на уроках информатики наверняка проходили эту тему, а вот более старшее поколение этого наверняка не знает и даже не задумывается о том, что «разговаривает» с компьютером на языке цифр в двоичной системе исчисления.

Как компьютер обрабатывает информацию

Вся цифровая информация передается в битах. Бит – это единица информации, которую понимает компьютер. Все, что мы делаем на компьютере переводится в специальный двоичный код, который состоит из 0 и 1. Если есть сигнал, то это 1, если сигнала нет, то это 0. Для компьютера это не числа, а сигналы. Есть сигнал, нет сигнала. Любую цифру компьютер понимает по своему – в двоичной системе.

2 — 10 (один-ноль) (одна единица второго разряда)

4 — 100 (один-ноль-ноль) (одна единица третьего разряда

5 — 101 (один-ноль-один)

6 — 110 (один-один-ноль)

7 — 111 (один-один-один)

8 — 1000 (один-ноль-ноль-ноль) (одна единица четвертого разряда)

9 — 1001 (один-ноль-ноль-один)

10 – 1010 (один-ноль-один-ноль)

Если вы хотите понять язык компьютера, необходимо изучить двоичную систему исчисления.

Нули и единицы в компьютере называют битами, а группы из восьми битов называют байтами.

В один байт можно записать число от 0 до 255.

В двух байтах можно записать число от 0 до 65535.

В трех байтах можно записать число от 0 до 16 миллионов.

число 2000 = 00000111 11010000

записывается в двух байтах, по 8 битов в каждом.

С числами более-менее понятно, а как же компьютер понимает текст?

Любые буквы компьютер переводит в числа. Превратив букву в число, компьютер превращает число в сигналы и записывает их, как и числа, — битами, из которых собираются байты:

Полная таблица кодов русского алфавита Ascii

Нажимая на клавишу клавиатуры вы даете компьютеру сигнал в двоичной системе исчисления, (каждой клавише соответствует свой код). Он понимает ее и при помощи специальной программы переводит этот сигнал в понятный для нас символ и выводит его на монитор. Грубо говоря, получается, что клавиатура служит переводчиком между нами и компьютером.

Тоже самое происходит и с графической информацией. Для того, чтобы сохранить картинку и работать с ней на компьютере, ее необходимо превратить в сигналы, т.е. оцифровать. Для этой цели можно воспользоваться сканером или цифровым фотоаппаратом или видеокамерой.

Каждая точка имеет свой код:

Черная точка: 0, 0, 0;

Белая точка: 255, 255, 255;

Коричневая: 153, 102, 51;

И т. д. У каждого цвета – свой шифр (цветовой код).

Ниже хорошее видео на эту тему:

Таблица
соответствия цветов их шестнадцатиричным
RGB-составляющим .

Источник

Урок 3. Как работает компьютер

Для успешного «общения» с компьютером вредно воспринимать его как черный ящик, который вот-вот выдаст что-то неожиданное. Чтобы понимать реакцию компьютера на Ваши действия, нужно знать как он устроен и как работает.

В этом IT-уроке узнаем, как работает большинство вычислительных устройств (к которым относятся не только персональные компьютеры).

Во втором уроке мы разобрались, что компьютер нужен для обработки информации, её хранения и передачи. Посмотрим же, как происходит обработка информации.

Как хранится информация на компьютере

Компьютер хранит, передаёт и обрабатывает информацию в виде нолей «0» и единиц «1», то есть используется двоичный код и двоичная система счисления.

Например, десятичное число «9» он видит как двоичное число «1001».

В виде нолей и единиц хранятся и все данные, которые необходимо обработать, и все программы, которые руководят процессом обработки.

Например, фотографию компьютер видит так (только первые две строчки файла из 527 строк):

Так человек видит изображение:

Компьютер видит набор «0» и «1»

(первые две строчки файла):

1111 1111 1101 1000 1111 1111 1110 0000
0000 0000 0001 0000 0100 1010 0100 0110
0100 1001 0100 0110 0000 0000 0000 0001
0000 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0001
0000 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000
1111 1111 1101 1011 0000 0000 0100 0011
0000 0000 0000 0011 0000 0010 0000 0010
0000 0011 0000 0010 0000 0010 0000 0011

А текст для компьютера выглядит так:

Человек видит текст:

Компьютер опять видит набор «0» и «1»:

0100 1001 0101 0100 0010 1101 0111 0101
0111 0010 0110 1111 0110 1011 0110 1001
0010 1110 0111 0010 0111 0101

Сегодня мы не будем разбираться в тонкостях вычислений и преобразований, посмотрим на процесс в общем.

Где хранится информация

Когда информация занесена в компьютер (записана), то она хранится на специальном устройстве – накопителе данных. Обычно накопитель данных – это жесткий диск (винчестер).

Жестким диском это устройство называется из-за конструкции. Внутри его корпуса находится один или несколько твердых блинов (металлических или стеклянных), на которых и хранятся все данные (текстовые документы, фотографии, фильмы и т.д.) и установленные программы (операционная система, прикладные программы, как Word, Excel, и др.).

Жесткий диск (накопитель данных) хранит программы и данные

Информация на жестком диске хранится и после выключения компьютера.

Подробнее об устройстве жесткого диска мы узнаем в одном из следующих IT-уроков.

Что обрабатывает всю информацию в компьютере

Основная задача компьютера – обрабатывать информацию, то есть выполнять вычисления. Большую часть вычислений выполняет специальное устройство – процессор. Это сложная микросхема, содержащая сотни миллионов элементов (транзисторов).

Процессор – обрабатывает информацию

Что в данный момент времени делать процессору говорит программа, она указывает, какие данные необходимо обработать и что с ними нужно сделать.

Схема обработки данных

Программы и данные загружаются с накопителя (жесткого диска).

Но жесткий диск – относительно медленное устройство, и если бы процессор ждал, пока будет считываться информация, а потом записываться после обработки обратно, то он бы долго оставался без дела.

Не оставим процессор без дела

Поэтому между процессором и жестким диском установили более быстрое запоминающее устройство – оперативную память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ). Это небольшая печатная плата, на которой находятся быстрые микросхемы памяти.

Оперативная память – ускоряет доступ процессора к программам и данным

В оперативную память заранее считываются с жёсткого диска все необходимые программы и данные. Во время работы процессор обращается к оперативной памяти, считывает команды программы, которая говорит какие данные нужно взять и как именно их обработать.

При выключении компьютера содержимое оперативной памяти не сохраняется в ней (в отличие от жесткого диска).

Процесс обработки информации

Итак, теперь мы знаем, какие устройства участвуют в обработке информации. Посмотрим теперь на весь процесс вычислений.

Анимация процесса обработки информации компьютером (IT-uroki.ru)

Когда компьютер выключен, все программы и данные хранятся на жестком диске. При включении компьютера и запуске программы, происходит следующее:

1. Программа с жесткого диска заносится в оперативную память и сообщает процессору, какие загрузить данные в оперативную память.

2. Процессор поочередно выполняет команды программы, порциями обрабатывая данные, взяв их из оперативной памяти.

3. Когда данные обработаны, результат вычислений процессор возвращает в оперативную память и берет следующую порцию данных.

4. Результат работы программы возвращается на жесткий диск и сохраняется.

Описанные шаги показаны красными стрелками на анимации (эксклюзивно от сайта IT-uroki.ru).

Ввод и вывод информации

Чтобы компьютер получил информацию для обработки, её нужно ввести. Для этого используются устройства ввода данных:

Для вывода результата обработки информации используются устройства вывода данных:

Кроме того, мы можем вводить и выводить данные на другие устройства с помощью:

Если в нашу схему добавить устройства ввода-вывода, то получится вот такая диаграмма:

Ввод, обработка и вывод данных

То есть компьютер работает с ноликами и единичками, а когда информация поступает на устройство вывода, она переводится в привычные нам образы (изображение, звук).

Подводим итог

Итак, сегодня мы вместе с сайтом IT-uroki.ru узнали, как работает компьютер. Если кратко, то компьютер получает данные с устройств ввода (клавиатура, мышь и т.д.), заносит их на жесткий диск, затем передает в оперативную память и обрабатывает с помощью процессора. Результат обработки возвращается сначала в оперативную память, затем либо на жесткий диск, либо сразу на устройства вывода (например, монитор).

Если появились вопросы, можно задать их в комментариях к этой статье.

Обо всех перечисленных в сегодняшнем уроке устройствах Вы можете узнать подробнее из последующих уроков на сайте IT-уроки. Чтобы не пропустить новые уроки – подпишитесь на новости сайта.

Копирование запрещено

Напомню, что на сайте IT-уроки есть постоянно обновляемые справочники:

Видео-дополнение

Сегодня небольшое познавательное видео о производстве процессоров.

Источник

Как функционирует и работает компьютер,всё об этом бесплатно!

Для успешного «общения» с компьютером вредно воспринимать его как черный ящик, который вот-вот выдаст что-то неожиданное. Чтобы понимать реакцию компьютера на Ваши действия, нужно знать как он устроен и как работает.

как работает большинство вычислительных устройств (к которым относятся не только персональные компьютеры).

Как хранится информация на компьютере

Например, десятичное число « 9 » он видит как двоичное число « 1001 ».

Например, фотографию компьютер видит так (только первые две строчки файла из 527 строк):

Так человек видит изображение:

Компьютер видит набор «0» и «1»

(первые две строчки файла):

1111 1111 1101 1000 1111 1111 1110 0000
0000 0000 0001 0000 0100 1010 0100 0110
0100 1001 0100 0110 0000 0000 0000 0001
0000 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0001
0000 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000
1111 1111 1101 1011 0000 0000 0100 0011
0000 0000 0000 0011 0000 0010 0000 0010
0000 0011 0000 0010 0000 0010 0000 0011

А текст для компьютера выглядит так:

Человек видит текст:

Компьютер опять видит набор «0» и «1»:

0100 1001 0101 0100 0010 1101 0111 0101
0111 0010 0110 1111 0110 1011 0110 1001
0010 1110 0111 0010 0111 0101

Сегодня мы не будем разбираться в тонкостях вычислений и преобразований, посмотрим на процесс в общем.

Где хранится информация

Жестким диском это устройство называется из-за конструкции. Внутри его корпуса находится один или несколько твердых блинов (металлических или стеклянных), на которых и хранятся все данные (текстовые документы, фотографии, фильмы и т.д.) и установленные программы (операционная система, прикладные программы, как Word, Excel, и др.).

Жесткий диск (накопитель данных) хранит программы и данные

Информация на жестком диске хранится и после выключения компьютера.

Что обрабатывает всю информацию в компьютере

Процессор – обрабатывает информацию

Что в данный момент времени делать процессору говорит программа, она указывает, какие данные необходимо обработать и что с ними нужно сделать.

Схема обработки данных

Программы и данные загружаются с накопителя (жесткого диска).

Не оставим процессор без дела

Поэтому между процессором и жестким диском установили более быстрое запоминающее устройство – оперативную память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ). Это небольшая печатная плата, на которой находятся быстрые микросхемы памяти.

Оперативная память – ускоряет доступ процессора к программам и данным

При выключении компьютера содержимое оперативной памяти не сохраняется в ней (в отличие от жесткого диска).

Процесс обработки информации

Итак, теперь мы знаем, какие устройства участвуют в обработке информации. Посмотрим теперь на весь процесс вычислений.

Анимация процесса обработки информации компьютером (IT-uroki.ru)

1. Программа с жесткого диска заносится в оперативную память и сообщает процессору, какие загрузить данные в оперативную память.

2. Процессор поочередно выполняет команды программы, порциями обрабатывая данные, взяв их из оперативной памяти.

3. Когда данные обработаны, результат вычислений процессор возвращает в оперативную память и берет следующую порцию данных.

4. Результат работы программы возвращается на жесткий диск и сохраняется.

Описанные шаги показаны красными стрелками на анимации (эксклюзивно от сайта IT-uroki.ru).

Ввод и вывод информации

Чтобы компьютер получил информацию для обработки, её нужно ввести. Для этого используются устройства ввода данных :

Для вывода результата обработки информации используются устройства вывода данных :

Кроме того, мы можем вводить и выводить данные на другие устройства с помощью:

Если в нашу схему добавить устройства ввода-вывода, то получится вот такая диаграмма:

Ввод, обработка и вывод данных

То есть компьютер работает с ноликами и единичками, а когда информация поступает на устройство вывода, она переводится в привычные нам образы (изображение, звук).

Источник

Компьютерная грамотность с Надеждой

Заполняем пробелы — расширяем горизонты!

Как работает ПК: Обработка информации на компьютере

Мы давно уже привыкли к персональным компьютерам (сокращенно ПК). Включаем их и работаем, ни мало не задумываясь над тем, как они устроены и как происходит обработка информации на компьютере.

Все это благодаря тому, что разработчики ПК и программного обеспечения к ним научились создавать надежные продукты, которые не дают нам повода лишний раз задуматься над устройством компьютера или обслуживающих его программ.

Случай на экзамене
Профессор. Как работает трансформатор?
Студент. У-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у…

Вероятно, читателям блога небезынтересно узнать о принципах работы компьютера и программного обеспечения.

Обработка информации на компьютере: основные этапы

Компьютер изначально был задуман для автоматизации процессов обработки информации. Он устроен соответствующим образом, чтобы иметь все возможности для успешного выполнения своего предназначения.

Для того чтобы обрабатывать в компьютере информацию, с ней необходимо делать следующие основные операции:

1) вводить информацию в компьютер:

Эта операция нужна для того, чтобы компьютеру было что обрабатывать. Без возможности ввода информации в компьютер он становится как бы вещью в себе.

2) хранить введенную информацию в компьютере:

Очевидно, что если дать возможность вводить информацию в компьютер, то надо также иметь возможность эту информацию в нем хранить, и затем использовать в процессе обработки.

3) обрабатывать введенную информацию:

Здесь надо понимать, что для обработки введенной информации нужны определенные алгоритмы обработки, иначе ни о какой обработке информации речи быть не может. Компьютер должен быть снабжен такими алгоритмами и должен уметь их применять к вводимой информации с тем, чтобы «правильно» преобразовывать ее в выходные данные.

4) хранить обработанную информацию

Так же как и с хранением введенной информации, в компьютере должны храниться результаты его работы, результаты обработки входных данных с тем, чтобы в дальнейшем ими можно было бы воспользоваться.

5) выводить информацию из компьютера

Эта операция позволяет вывести результаты обработки информации в удобочитаемом для пользователей виде. Именно эта операция дает возможность воспользоваться результатами обработки информации на компьютере. Иначе эти результаты обработки так и остались бы внутри компьютера, что сделало бы их получение совершенно бессмысленным.

Что такое обработка информации на компьютере

Самое важное умение компьютера – это обработка информации. Прелесть компьютера как раз и состоит в том, что он может информацию преобразовывать. Все устройство компьютера обусловлено требованием обработки информации в кратчайшие сроки, наиболее быстрым способом.

Под обработкой информации на компьютере можно понимать любые действия, которые преобразуют информацию из одного состояния в другое.

Соответственно, компьютер имеет специальное устройство, называемое процессором, которое предназначено исключительно для чрезвычайно быстрой обработки данных, со скоростями, доходящими до миллиардов операций в секунду.

Оперативная память (ОЗУ)

Требуемые для обработки данные процессор получает (берет) из оперативной памяти.

Оперативная память — это устройство, которое предназначено для ВРЕМЕННОГО хранения как входных, так и выходных данных.

Там же в оперативной памяти находится и место для хранения промежуточных данных, формируемых в процессе обработки информации. Таким образом, процессор как получает данные из оперативной памяти, так и записывает обработанные данные в эту память. Там информация хранится временно, до тех пор, пока она находится в обработке.

Наконец, для ввода и вывода данных к компьютеру подключаются внешние устройства ввода-вывода, которые позволяют ВВОДИТЬ информацию, подлежащую обработке, и ВЫВОДИТЬ результаты этой обработки.

Внешний винчестер, внешнее DVD-устройство, флешка, клавиатура, мышь

Процессор и оперативная память работают с одинаково большой скоростью. Как уже говорилось выше, скорость обработки информации может составлять многие миллионы и миллиарды операций в секунду. Никакое внешнее устройство ввода и вывода информации не может работать на таких скоростях.

Поэтому для их подключения в компьютере предусмотрены специальные контроллеры устройств ввода-вывода. Их задача состоит в том, чтобы согласовать высокие скорости работы процессора и оперативной памяти с относительно низкими скоростями ввода и вывода информации.

Эти контроллеры подразделяются на специализированные, к которым могут быть подключены только специальные устройства, и универсальные. Примером специализированного устройства контроллера служит, например, видеокарта, которая предназначена для подключения к компьютеру монитора.

Контроллеры могут быть и универсальными, в этом случае – это так называемые порты ввода-вывода, К портам ввода-вывода могут подключаться разнообразные устройства (клавиатуры, манипуляторы «мышь», принтеры, сканеры и т.п.).

Нашли ошибку? Выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

О работе ПК на примере Windows 10 и клавиатуры ч. 1

Меня зовут Андрей Артемьев, я работаю в Microsoft над ядром ОС Windows 10, ранее я работал над Windows 10x (WCOS), XBox, Windows Phone и Microsoft Edge. Я хочу популярно в образовательных целях рассказать о том как работает компьютер на примере клавиатурного ввода и Windows 10. Данный цикл статей рассчитан в первую очередь на студентов технических специальностей. Мы рассмотрим какой путь проходит информация о нажатой клавише от клавиатуры до отображения в Notepad.exe. В виду обширности и междисциплинарности темы в статьях могут быть неточности, о которых сообщайте в комментариях. Какая-то информация может быть устаревшей в виду скорости с которой развивается Windows.

Насколько глубоко мы погрузимся в тему?

Давайте для начала в общих чертах поговорим об уровнях на которых можно рассматривать компьютер. Каждый уровень основывается на предыдущем. Начнём с самого верха.

Уровень операционной системы. ОС можно рассматривать как:

Уровень архитектуры компьютера. Он представлен материнской платой, которая имеет определённый форм-фактор, встроенные функции закодированные в микросхемах называемых чип-сетом и порты, через которые можно расширять функционал компьютера подключив графическую карту, сетевую карту, дополнительную оперативную память (RAM), жёсткие диски, клавиатуру и пр. Порты влияют на скорость работы и возможности компьютера, что и будет определять его назначение будь то сервер для обработки тысяч запросов в секунду, планшет для пользования Интернетом или игровой ПК с несколькими видеокартами. ОС абстрагирует особенности материнской платы.

Микросхемы выглядят как на картинке ниже и представляют собой мини-компьютер выполняющий простые программы для низкоуровневых задач, к примеру прочитать данные от клавиатуры и передать их дальше чтобы они достигли в конечном счёте процессора. Как правило реализованы в виде аналоговой непрограммируемой микросхемы или микроконтроллера, программируемого на языке С.

Материнскую плату можно рассматривать как колонию микросхем которые общаются между собой через шины и через них циркулируют данные от подключенных устройств к процессору и обратно. Чип-сет — это своего рода нервная система компьютера. Все чипы на материнской плате были изначально созданы чтобы работать друг с другом. Некоторые из них могут иметь особые функции, к примеру таймер или хранение настроек BIOS. Пожалуй самый важный из них тот что имеет встроенную программу (прошивку, BIOS, UEFI) которая начинает выполняться как только появляется электричество. Она находит жёсткий диск с загрузчиком Windows и передаёт тому управление который в свою очередь запускает исполняемый файл ОС, который можно назвать Windows10.exe, на самом деле NtOsKrnl.exe. BIOS знает что искать благодаря соглашению между производителями железа и операционных систем.

Вокруг материнской платы можно собрать мобильный телефон, игровую приставку, серверную станцию или умное устройство. На картинке ниже распространённые форм-факторы материнских плат.

Уровень микроархитектуры представлен процессором (CPU), это сердце материнки и весь чип-сет нужен для обслуживания CPU. Процессор это компьютер в компьютере, более мощный и продвинутый микроконтроллер которому не нужна прошивка, потому как поток команд подаётся на лету, когда планировщик потоков поменял контекст процессора. Функционал процессора делится на подсистемы, к примеру компонент занимающийся математическими и логическими операциями, математический сопроцессор, кэш. Какие-то из них раньше были отдельным чипом на материнской плате, но сейчас их сделали частью ЦПУ, например контроллер прерывания и микросхема под названием “Северный мост” что увеличило скорость работы.

Микроархитектура это не то же самое что архитектура. Весь функционал CPU разделён на компоненты, которые работают сообща. Эти компоненты и их взаимодействие и есть микроархитектура. На блок-схеме ниже они представлены цветными прямоугольниками и квадратиками.

Архитектура процессора это по сути документ который описывает какой функциональностью он должен обладать для того чтобы соответствовать к примеру архитектуре x86, x64 или ARM применяемой на мобильных устройствах. В этом документе описано какие должны поддерживаться команды, назначения регистров и логика работы. Создатели процессоров Intel, AMD, Эльбрус могут реализовывать эту функциональность как угодно и добавлять к ней новые возможности в виде команд, регистров, флагов, прерываний и если ОС знает о них то может использовать. В терминах ООП архитектура ЦПУ — это интерфейс, а микроархитектура — его реализация.

Логические схемы. Цветные прямоугольники с блок-схемы CPU состоят из логических схем, которые производят свои операции на последовательностях нулей и единиц. Процессор видит все данные и команды в виде битов (0 и 1), по формуле любое десятичное число можно представить в виде последовательности 0 и 1, а вот что значит конкретное число зависит от контекста. Это может быть код, цифра, буква. Арифметическое и логическое устройство (ALU) умеет производить сложение двух чисел через побитовые операции. Побитовые алгоритмы сложения, вычитания, умножения и деления давно известны, разработчикам логической схемы их только надо эффективно реализовать.

Цифровые схемы работают с данными на уровне нулей и единиц, а аналоговые полагаются на эксплуатирование законов физики. Они выполняют простейшие манипуляции над битами, такие как сдвиги, AND, OR, XOR. Через эти примитивы реализуются более сложные операции. На картинке ниже представлен аналоговый оператор AND реализованный через транзисторы. На выходе схемы ненулевое напряжение будет только если оно есть на обоих входных контактах (Вх1 и Вх2), иначе ноль вольт. Точно так же работает оператор && в C#. Цифровые схемы в конечном счёте основаны на аналоговых. Физически логические элементы в логических схемах могут быть реализованы не только электронными но и механическими, гидравлическими, оптическими и другими способами.

Уровень законов физики. И наконец самый нижний уровень — это уровень законов физики которые заключены в полупроводниковые радиоэлементы.

Мы будем много говорить про уровень ОС и чуть меньше про архитектуру компьютера, микроархитектуру, аналоговые схемы и радиоэлементы. К последней части у вас должно быть понимание как это всё работает вместе.

Основы Операционной Системы

Когда мы проходили в универе программирование на ассемблере у многих студентов был ступор от таких умных слов как “режимы ядра и пользователя”, под которыми на самом деле скрывается хорошо всем известная ролевая система аутентификации, на всех сайтах есть как минимум “Админ” имеющий доступ ко всем страницам и “Пользователь” имеющий ограниченный доступ. Точно так же роль “Ядро” имеет доступ ко всем возможностям CPU, а роль “Пользователь” может вызывать не все команды процессора и не со всеми аргументами. Поверх этой ролевой модели по принципу клиент-серверной архитектуры построена операционная система, где сервер это ядро, которое и реализовывает функционал ОС, а клиент — это пользовательские программы. В мире Web клиент и сервер разделены физически — это два разных компьютера общающихся по сети. В ОС клиент и сервер живут на одной машине и на одном железе. У сервера есть некий API который позволяет клиентам изменять его состояние, к примеру Twitter API позволяет создавать посты, логиниться и загружать ленту твитов в мобильный клиент. У Windows есть Win API, только более громоздкий в виду более широкого круга задач, на сегодняшний день у винды примерно 330 000 API плюс API для UWP apps. Если концепции Твитера более менее всем понятны — пост, пользователь, фид — то концепции ОС могут потребовать некоторого углубления в её внутренности. Поэтому API Windows могут быть трудно понятными без понимания внутреннего устройства ОС.

На самом деле под ядром понимают три разные вещи. Ядро как весь код ОС. Ядро как подсистема которая отвечает за механизмы ОС, такие как планировщик потоков, переключение контекста, обработка прерываний, свап виртуальный памяти на физическую (Kernel) и ядро подсистемы для поддержки других ОС — CSRSS.exe (Windows), PSXSS.exe (POSIX), OS2SS.exe (OS/2) или WSL (Windows SubSystem for Linux). В данном контексте понимается первый смысл — весь код ОС.

Когда на экране появляется окно, то в серверной части ОС (режим ядра) появляется структура данных которая описывает это окно — его положение на экране, размеры, текст заголовка, оконная функция через которую ОС даёт приложению среагировать на события. Поскольку подсистем в ОС много, то и структур данных описывающих один объект может быть несколько, к примеру информация о пользовательском процессе есть в компонентах:

Что такое компонент? Это логически сгруппированный функционал. Компонентом можно назвать ООП-класс, dll, папку, набор функций с общим префиксом, пространство имён, слой в архитектуре.

Более подробно о разделении на клиент-сервер

Разделение на клиент и сервер реализовано при помощи встроенной функциональности CPU, разделения памяти и программных проверок.

Производители оборудования сотрудничают с разработчиками ОС, поэтому в процессоре есть механизмы созданные с учётом потребностей создателей операционных систем. Во всех современных процессорах реализован механизм ролей пользователя, где под пользователем понимается исполняемый в данный момент код. В веб приложениях роль залогиненого пользователя хранится в какой-то переменной и помимо понятного названия Admin или User имеет Id этой роли который чаще и используется при авторизации, потому как сравнивать числа быстрее и проще чем строки. В процессоре роль текущего пользователя хранится в поле которое называется “кольцо безопасности” (Security Ring), а не “CurrentUser.Role.Id”. В большинстве процессоров это поле принимает четыре значения от 0 до 3. Windows использует 0 для роли которая называется “Режим Ядра”, потому как это самый привилегированный режим и самое большое значение для роли “Режим Пользователя”, потому как это самая ограниченная роль. Остальные роли не используются потому как различие между 0 и 1, 2 и 3 незначительное. Эти роли ограничивают страницы памяти которые могут быть адресованы, нельзя вызывать некоторые инструкции или же нельзя их вызывать с определёнными аргументами. Так же есть ограничения на использование технологии I/O Ports для обмена данными с устройствами такими как клавиатура, но она уже лет 10 не используется. Переключение в режим ядра происходит через команду syscall, которая по индексу находит в массиве указателей на APIs Windows функцию которую надо вызвать. Указатель на этот массив сохраняется в специальном регистре процессора во время загрузки ОС.

Я специально назвал регистр ЦПУ полем. Когда вы пишете программу на C#, то можете добавлять сколько угодно полей в свой класс и давать им понятные названия. У процессоров и микроконтроллеров поля называются регистрами. Когда вы проектируете железку то нужно уже на этом этапе понять сколько регистров (полей) надо, какого размера они должны быть и какой функционал на них возложить, чтобы этого хватало на все случаи жизни для всех мыслимых и немыслимых ситуаций. Представьте, что вам надо написать программу на C#-подобном языке программирования у которого в классе 16 предопределённых полей и вы не можете использовать локальные переменные. Т.е. одно и то же поле может использоваться для хранения залогиненного пользователя, отсортированного массива, временных данных или результата выполнения метода. Имена таких полей должны быть максимально общими, вместо tempData, funcResult будут странные имена EAX, AH, AL, DX и пр. Если бы вы писали на C# эмулятор процессора на архитектуре x86, то код мог бы выглядеть примерно так (DIV — divide, команда целочисленного деления):

Для иллюстрации я добавил проверку на режим ядра. Если происходит ошибка деления на ноль, то процессор уведомляет об этому ОС через прерывание (выбрасывает событие). Во время загрузки ОС предоставляет процессору одномерный массив указателей на функцию, который называется вектор прерываний, где каждому индексу соответствует какое-то событие к примеру деление на ноль. ОС знает архитектуру процессора на котором исполняется и может соответствующим образом упорядочить в массиве указатели на функции. CPU вызывает эту функцию и ОС свой код. К примеру Windows смотрит в реестре установлен ли отладчик и показывает сообщение о том что произошла ошибка и есть возможность запустить дебаггер чтобы посмотреть на место где она произошла. Прерывание называется прерыванием потому как оно вклинивается в нормальный ход выполнения программы и даёт возможность выполнится обработчику прерывания и только после его завершения процессор может вернуться к исполнению программы.

Прерывания могут генерироваться не только процессором но и внешними устройствами (клавиатура, мышь) или программным кодом. Планировщик потоков устанавливает таймер который с интервалами равными одному кванту (по умолчанию около 15мс, в Windows Server больше) генерирует прерывание чтобы по внутреннему алгоритму назначить другой поток на исполнение. Пошаговое исполнение программы в Visual Studio так же полагается на механизм прерываний — у процессора устанавливается флаг, который после каждой команды вызывает прерывание которое обрабатывает Windows Debugging Engine и уведомляет через API Visual Studio.

Разделение памятью реализовано благодаря виртуальной памяти. Ранее я говорил что ОС это менеджер ресурсов и виртуальная машина. Даже если у вас 1Гб RAM 32х битный Windows будет работать так как если бы у вас было 4Гб оперативки, т.е. реально у вас 1Гб, а виртуально 4Гб. Современные компьютеры основаны на теоретической модели машины Тьюринга или же архитектуре фон Неймана (с некоторыми изменениями). Согласно этим моделям память в компьютере это лента состоящая из ячеек размером один байт. Эти ячейки сгруппированы в страницы как правило по 4096 байт (4Кб), потому как:

64 битный адрес позволяет адресовать 16 экзабайт, это 18,446,744,073,709,551,616 ячеек памяти. Современные процессоры пока что не поддерживают так много RAM и поэтому используют только младшие 48 бит адреса, остальные 16 заполняются старшим разрядом. Поэтому Win x64 попросту не использует часть адресов, которые помечены на рисунке выше чёрным. Но это не значит, что 64х битный Windows “видит” 256 Tb оперативки. Максимум 8TB виртуальной памяти на архитектуре IA64 и 7TB на x64. Предел физической памяти поддерживаемой Windows 10 — 2TB, потому как с большим количеством Винда не тестировалась. Объём поддерживаемой RAM в Windows 10 определяется во многом редакцией ОС, чем дороже тем больше.

Почему ячейки памяти пронумерованы шестнадцатиричными (HEX) числами, а не десятичными или двоичными? Адрес ячейки это не просто порядковый номер, в нём закодировано три числа по которым эту ячейку можно отобразить на физическую память. Первые два это индексы по которым находится конкретная страница виртуальной памяти, а третье число — смещение от начала страницы. CPU и ОС здесь работают в связке — ОС предоставляет структуру данных по которой CPU находит страницу виртуальной памяти и копирует её в физическую. По HEX номеру можно сразу увидеть как выровнен в памяти адрес. Формат двоичного числа слишком громоздкий, 32 бита (или 64) трудны для восприятия. Десятичный формат — показывает слишком мало информации, тогда как HEX удобный компромисс между десятичной и двоичной системами, средами людей и машин.

Программный способ разделения на клиент-сервер (режим ядра-режим пользователя) гораздо скучнее перечисленных выше механизмов. Процессы и потоки могут быть помечены специальными аттрибутами или же мы можем хранить список указателей на потоки/процессы и проверять их в коде. Если вы хоть раз делали авторизацию в веб-приложении, то хорошо понимаете о чём я говорю.

Из чего состоит Windows?

Абстракция или же разбиение на компоненты есть во всех сферах программирования и интуитивно понятно что Windows тоже делится на какие-то компоненты. Под компонентом понимается какая-то единица функциональности — ООП класс, файл, dll, папка. Компоненты на диаграмме ниже могут быть как индивидуальными *.sys, *.dll файлами, так и просто набором API сгруппированным логически через добавление префикса к имени функции, старая часть системы написана на C, а он не поддерживает классы. Новые части пишутся нередко на C++. В укрупнённом виде Винда выглядит так:

Давайте быстренько пробежимся по её компонентам снизу вверх:

Что такое Advanced Configuration and Power Interface? До 1996 года когда вы выключали компьютер через UI, ОС сохраняла состояние системы и потом показывала сообщение что можно отключать питание нажав кнопку на корпусе.

Источник