3. přednáška 29. února 2016

Direct Memory Access DMA - Direct Memory Access, některá zařízení mají možnost přistupovat k paměťovým přenosům dat bez účasti procesoru, při přenosu mezi pamětí a zařízením by byla velká režie, u blokových přenosů se nepřizpůsobuje rychlost – pouze u paměti, jedna adresová sběrnice – nelze použít adresaci dvou míst současně, specializovaný obvod – řadič DMA, jednoúčelové zařízení s 8 kanály u současných počítačů

Provádění vnořených procedur 4000 Main program CALL Proc1 4100 4101 4500 CALL Proc2 Procedura Proc1 4600 4601 CALL Proc2 4650 4651 RETURN 4800 Procedura Proc2 4601 4651 4101 4101 4101 4101 4101 RETURN . . . . . . .

„Holý“ počítač Operační paměť I/O procesor (kanál) Řídící jednotka Periferie

BIOS BIOS – Basic Input Output System základní souhrn instrukcí a funkcí nutných pro spuštění počítače propojuje HW a SW, je to firmware pro počítač je tvořen sadou ovladačů základních komponent systému BIOS sděluje informace o HW, který je v počítači a OS říká, jak s ním má nejlépe pracovat, jaké má potíže z důvodu lepší možnosti update umístěn ve FLASH (EEPROM) první vrstva BIOSu v ROM (informace pro základní používání komponent, typ pamětí, typ procesoru), druhá vrstva v čipu CMOS (nastavení prováděná v menu), třetí vrstva jsou ovladače zaváděné v průběhu spouštění OS po zapnutí: nastaví konfiguraci počítače z CMOS paměti provede autonomní test počítače (POST Power On Self Test) inicializuje komponenty v konečné fázi spouští OS

BIOS

Virtuální počítač Uživatelské programy Proces 1 Proces 3 Holý počítač Proces 4 Proces 2 Programy jádra operačního systému

Hierarchie pamětí Pokud se postupuje hierarchií dolů: Magnetická páska Optický disk Magnetický disk Elektronický disk Operační paměť Cache Registr zvyšuje se frekvence přístupů levnější, větší kapacity, pomalejší přístup Pokud se postupuje hierarchií dolů: - klesá cena bitu - zvyšuje se kapacita - zvyšuje se doba přístupu - klesá frekvence přístupů z procesoru do paměti dražší bit: rychlejší, kapacitnější větší kapacita = pomalejší přístup

Vyrovnávací paměť CPU - cache paměť Word Transfer Main memory Cache CPU Block Transfer Word Transfer - cache paměť - drahá a velmi rychlá paměť - kontakt s pomalejší a větší hlavní pamětí - OS a uživatelské procesy ji nevidí - je v interakci s HW správy paměti (MMU) - hledání odkazovaného slova v cache při neúspěchu přesun dalšího bloku dat prostorová lokalita

Operační systémy Cíle: použití počítače je pohodlnější a výhodnější, čerpání systémových zdrojů je účinnější, schopnost vývoje (testování, nové funkce, ...) Funkce: vytváření programů (editor, debugger), spouštění programů, přístup na I/O, přístup k souborům, přístup a ochrana systémových zdrojů, detekce chyb, evidence Charakteristiky: souběžnost, sdílení (cena, sdílená data, vytváření dalších úloh, odstranění redundance), determinovanost (stejné výsledky ze stejných dat a kdykoliv), výkonnost (střední čas mezi procesy, čas odezvy, čas obrátky, využití zdrojů, ...), spolehlivost, udržovatelnost, velikost

Definice operačního systému program, který je prostředníkem mezi uživatelem a technickým vybavením účelem OS je poskytovat uživateli prostředí pro spouštění programů základní část téměř všech počítačových systémů správce prostředků (řídí, alokuje, odebírá) – Resource Manager řídí provádění uživatelských programů a I/O operací – Control Program program, který vždy běží - Kernel

Multiprogramování procesor provádí více programů (procesů) „současně“ pořadí provádění programů záleží na jejich prioritě, je modifikováno čekáním na nějakou událost (I/O operace) po přerušení se nemusí pokračovat v programu, který se prováděl před přerušením

Vrstvy počítačového systému Computer hardware Operating system Utilites Application programs End user Programmer Operating system designer

OS jako Resource Manager Computer System I/O Devices I/O Controler Operating System Software I/O Controler Programs & Data Storage I/O Controler Operating System Software Processor Processor Programs & Data

OS – obecné poznatky, rozdělení Rozdělení operačních systémů: podle počtu úloh: jednoúlohové, multitaskové podle počtu uživatelů: jednouživatelské, víceuživatelské podle účelu použití: univerzální (nespecializované), specializované (RT- systémy, mívají zvláštní požadavky na řízení periferií, na interface s uživatelem, ...), databázové systémy, síťové operační systémy Obecná struktura OS: * řídící program (kernel, executive) * příkazový procesor (command processor) * řídící V/V programy * obsluha souborů * pomocné programy (utilities)

Obecné poznatky operačních systémů OS je správcem prostředků (zdrojů). Řídí běh ostatních procesů (předává a bere řízení), vlastní jednotlivé systémové zdroje (přiděluje je a odebírá jednotlivýn procesům), zajišťuje rozhraní mezi uživatelem a HW, unifikuje detaily o HW pro procesy a uživatele (spravuje detaily HW ve vlastní režii). Operační systém je program, který funguje jako prostředník mezi uživatelem a hardware počítačového systému. Vytváří prostředí pro spouštění programů uživatele. Hlavním cílem je zabezpečení pohodlného přístupu uživatelů k programům a efektivní využívání technického vybavení. Podle odborné definice je OS pouze program, který běží neustále na počítači, tzv. výkonné jádro (kernel) operačního systému. Podle širší definice patří k OS i editory, kompilátory, GUI, atd. Ve formě virtuálního počítače OS skrývá detaily ovládání jednotlivých zařízení (zajišťuje transparentnost), definuje standardní rozhraní pro volání systémových služeb. diskové, specifické postupy při vývoji, assembler versus vyšší programovací jazyky, výsadní postavení jazyka C, vrstvená struktura s jednostranným tokem, krátké zdrojové texty pro snadnější ladění, objektový způsob přinesl možnost snadnější modifikace a rozšiřování, využití dědičnosti pro zvýšení flexibility

Přidělování procesoru Vrstvy operačního systému operace přístupu k souboru, otevírání, zavírání, přesuny, ochrana, umístění, stav, ... „Holý počítač“ Přidělování procesoru Přidělování paměti Přidělování I/O Systém souborů stav periferií, stav kanálů a řídících jednotek, sdílení, přiřazení, efektivní přiřazování stav paměti, její využití, rozsah a doba přidělení, vlastník, uvolňování a vracení stav procesoru a procesů, plánování úloh, dispečer, plánovač úloh, vypršení limitu HW počítače

Moderní operační systémy nikoliv pouhá modifikace stávajících vlastností OS a jejich rozšiřování, zcela nová organizace, byly vytvořeny jak experimentální, tak komerčně využívané OS, pozornost zaměřena na oblasti: mikrokernelová architektura ve stávajících OS jednolitý kernel, ten prováděl většinu funkcí (plánováni, souborový systém, síťové služby, řízení paměti, ovladače zařízení, ...), byl implementován jako samostatný proces, jeden adresní prostor, mikrokernel si ponechává pouze některé funkce, zbytek je realizován samostatnými procesy (servery), ty běží v uživatelském módu, větší flexibilita, vhodné pro distribuované prostředí multithreading proces je prováděn pomocí více vláken, vlákno (sled, thread) je systémový objekt, který vzniká v rámci procesu, je viditelný pouze uvnitř procesu, výkonná jednotka procesu, charakterizován svým stavem, společné systémové prostředky (paměť, soubory, globální proměnné, …), vlastní zásobník, přiděluje se jim procesor, proces je systémový objekt charakterizovaný svým paměťovým prostorem a kontextem symetrický multiprocessing disponuje více procesory, sdílí jednu paměť a stejné I/O zařízení, propojeny komunikační sběrnicí, všechny procesory mohou provádět stejnou činnost distribuované OS ošetření několika samostatných počítačů jedním OS, multipočítačový systém, každý z počítačů má vlastní prostředky, DOS poskytuje iluzi jedné kolekce prostředků (paměť, ...), vývoj probíhá pomaleji než SMP objektově orientovaný návrh modulární přístup, dědičnost, pro plnohodnotné distribuované OS

Požadované vlastnosti operačního systému Výkonnost (určena spoustou faktorů): střední doba mezi procesy, doba nečinnosti CPU, doba obrátky pro úlohy, čas odezvy, využití zdrojů, výkonnost počítače, kompromisní řešení Spolehlivost: v ideálním případě bez chyb Udržovatelnost: modulární řešení, jasné definice interface mezi jednotlivými moduly, rozšiřování schopností, oprava chyb Velikost: odůvodněná velikost v paměti i na disku, větší systémy jsou náchylnější k poruchám

Služby operačního systému - vytváření programů na uživatelské úrovni editory, kompilátory, sestavovací programy, ladící programy - provádění programů zavádění programů do RAM, multiprogramové podpora komunikace a synchronizace procesů všechny OS jsou postaveny na základě zpracování procesů - V/V operace a operace se soubory zpřístupňování, formátování, privilegované operace - přístup k počítačovému systému ochrana při přístupu k systémovým zdrojům a údajům, řešení konfliktů při soupeření o zdroje - chybové řízení detekce chyb (HW, SW, neschopnost OS splnit požadavek aplikace), reakce na chyby - protokolování statistiky o zdrojích, monitorování výkonu, kalkulace cen, inspirace pro zlepšování konfigurace

Řídicí struktury operačního systému OS musí mít informace o aktuálním stavu procesů, informace o stavu HW zdrojů OS vytváří a udržuje tabulky o všech částech, které jsou pro něj důležité čtyři různé typy tabulek (paměť, I/O, soubory, procesy) mohou být rozdíly mezi různými OS, uvedené kategorie ale platí obecně Memory tables – sleduje se stav primární (real) i sekundární (virtual) paměti, část paměti je rezervována pro OS, zbytek je pro procesy, tabulky musí obsahovat informace o alokování obou pamětí procesům, ochranné atributy pro neoprávněný přístup (sdílení), informace potřebné k řízení virtuální paměti I/O tables – jsou používány OS k řízení I/O zařízení a kanálů systému, obsahují informace o přiřazení I/O zařízení jednotlivým procesům, jejich dostupnost File tables – informují o uložení souborů na disku, všechny jeho atributy, informace využívá hlavně souborový systém Process tables – slouží pro řízení procesů, musí obsahovat lokalizaci procesu (PCB (task control block, process descriptor, task descriptor), process image)

Řídicí struktury operačního systému Memory tables Memory Process image Process 1 Devices I/O tables Files Processes File tables Process 1 Process image Process 2 Process n Primary process table Process 3 . Process n