Operační systémy LS 2014/2015 1. konzultace 20. února 2015 (4 hodiny)

Prezentace na téma: "Operační systémy LS 2014/2015 1. konzultace 20. února 2015 (4 hodiny)"— Transkript prezentace:

1 Operační systémy LS 2014/2015 1. konzultace 20. února 2015 (4 hodiny)

2 Operační systémy LS 2014/2015 Základní informace, požadavky -Konzultace A4/715a -požadavek k získání závěrečného hodnocení: správné zodpovězení 2 nebo 3 otázek -podmínka pro 2 otázky: vypracování literární práce na téma: Počítače pomáhají zachraňovat svět... (forma literární práce – povídka)

3 Operační systémy LS 2014/2015 Doporučené informační zdroje Dostačující materiály: http://www.uai.fme.vutbr.cz/~vdumek Rozšířené materiály: William Stallings: Operating Systems: Internals and Design Principles 7th Edition, ISBN: 978-0-13-230998-1, Pearson Education Limited, 2012 Další materiály: Gary Nutt: Operating Systems, Third Edition. ISBN: 0201773449 Abraham Silberschatz: Operating Systems Concepts, 9th Edition ISBN-13: 9781118063330, John Willey, 2012 Madnick, Donovan: Operační systémy. Praha 1981. Bach: Principy operačního systému UNIX. Praha 1993. LINUX Dokumentační projekt, Praha 1998. Čada: Operační systémy. Praha 1994. http://www. …

4 Operační systémy LS 2014/2015 Memory management Security Process description and control Scheduling Concurrency Embedded systems I/O and file management Distributed systems Vztahy mezi jednotlivými tématy

5 Operační systémy LS 2014/2015 Základní stavební prvky počítače procesor (Processor) řídí činnost počítače provádí funkce zpracovávající data pokud počítač obsahuje 1 procesor, nazývá se tento CPU hlavní paměť (Main Memory, Real Memory, Primary Memory) uchovává programy a data energeticky závislá IO moduly přesun dat mezi počítačem a vnějším prostředím terminály, vnější paměti, komunikační kanály,... systémová sběrnice (System Bus) komunikační cesta mezi procesorem, hlavní pamětí a IO moduly

6 Operační systémy LS 2014/2015 Komponenty počítače – abstrakce vysoké úrovně PC I/O BR I/O AR MBR MAR IR Execution unit CPU Buffers I/O module Instruction Data Main memory PC Program Counter IR Instruction Register MAR Memory Address Register MBRMemory Buffer Register I/O ARInput/Output Address Register I/O BRInput/Output Buffer Register

7 Operační systémy LS 2014/2015 Architektura počítačového systému detailněji

8 Operační systémy LS 2014/2015 Součinnost jednotlivých komponent jeden nebo více procesorů a řadiče I/O propojené systémovou sběrnicí, sběrnice zprostředkovává spojení s operační pamětí I/O zařízení (periferie) a CPU mohou operovat souběžně Každý řadic zařízení je odpovědný za činnost zařízení jistého typu, má lokální vyrovnávací paměť (buffer) I/O - to co se děje mezi lokální vyrovnávací pamětí řadiče a periferií Procesor získává instrukce z paměti, dekóduje je a provádí je, mnozina instrukc je specifická pro jistý typ procesoru, procesor je vybaven svými registry (rychlá paměť, proměnné, dočasné výsledky, data nutná pro řízení výpočtu,...) Hlavní paměť operační paměť, primární paměť, RAM, fyzický adresový prostor (FAP), energeticky závislá, vedle registru jediná paměť dostupná z přímo z procesoru (systémová sběrnice)

9 Operační systémy LS 2014/2015 společný rys – lze je odkazovat (adresovat) ve strojovém jazyku viditelné uživateli jsou dostupné jak operačnímu systému, tak i uživatelským procesům obsahují data, adresy (indexy, ukazatele segmentů, zásobníku,...) řídicí a stavové obecně jsou nedostupné uživatelským procesům (jsou dostupné pouze privilegovanými instrukcemi) některé používá CPU pro řízení svých vlastních operací (Instruction Register (IR) - obraz interpretované instrukce) některé používá operační systém pro řízení provádění programu (Program Counter (PC) - adresa následně získávané instrukce, Program Status Word (PSW) – bitová informace o stavu procesoru) nelze jej vidět, jde o místo s možností nejrychlejší změny 1/0 Registry procesoru

10 Operační systémy LS 2014/2015 - registr (viditelné pro uživatele (minimalizace potřeby paměti, využívání všech dostupných registrů, znalost instrukcí assembleru,...), řídící a stavové (control) (používání při privilegovaných přístupech,...) ) - kompatibilita procesorů - uživatelské – pro data, pro adresy (index, segment, stack) - řídící a stavové – PC (Program Counter), IR (Instruction Register), PSW (Program Status Word) AH, AL střadač, akumulátor BH, BL bázový registr CH, CL čítač DH, DL datový registr SP stack pointer BP base pointer SI source index DI destination index CS code segment DS data segment SS stack segment ES extra segment FLAGS registr příznaků IP instruction pointer Registry procesoru

11 Operační systémy LS 2014/2015 Jak pracuje procesor, provádění instrukcí procesor interpretuje instrukce uvedené v programu instrukce se získávají z hlavní paměti (FAP) sekvenčně ukazatelem na příště získávanou instrukci z FAP je PC základní cyklus procesoru - cyklické provádění dvou fází, FETCH a EXECUTE loop FETCH;/* FETCH: ((PC))!IR */ PC:= PC+1; EXECUTE;/* EXECUTE: proved' (IR) */ end loop; Práce procesoru

12 Operační systémy LS 2014/2015 PC obsahuje adresu první instrukce (300), instrukce (1940) je načtena do IR a PC je inkrementován, postup v sobě zahrnuje použití MAR a MBR, které nejsou zobrazeny Step1 - přesouvání mezi pamětí a registry procesoru, ukázka sečtení obsahu adresy 940 s obsahem adresy 941 a uložení výsledku na adresu 941, jsou potřeba tři instrukce a tři fáze načtení (fetch) a tři fáze provedení (execute) Další instrukce (5941) je načtena do IR z adresy 301 a PC je opět inkrementován Step3 První 4 bity (první hexadecimální číslo) v IR indikuje, že do AC se načte z paměti obsah adresy 940 (zbývajících 12 bitů) Step2 Původní obsah AC (0003) je sečten s obsahem adresy 941 (0002) a výsledek je uložen do AC Step4 Další instrukce (2941) je načtena z adresy 302 a PC je inkrementován Step5 Obsah AC (0005) je uložen na adrese 941 Step6 Start Halt Fetch Next Instruction Execute Instruction Fetch StageExecute Stage Provádění programu

13 Operační systémy LS 2014/2015 1940 5941 2941 0003 0002... 300 1940 PC AC IR 300 301 302 940 941 MemoryCPU registers Step 1 1940 5941 2941 0003 0002... 301 0003 5941 PC AC IR 300 301 302 940 941 MemoryCPU registers Step 3 1940 5941 2941 0003 0002... 302 0005 2941 PC AC IR 300 301 302 940 941 MemoryCPU registers Step 5 1940 5941 2941 0003 0002... 301 0003 1940 PC AC IR 300 301 302 940 941 MemoryCPU registers Step 2 1940 5941 2941 0003 0002... 302 0005 5941 PC AC IR 300 301 302 940 941 MemoryCPU registers Step 4 1940 5941 2941 0003 0005... 303 0005 2941 PC AC IR 300 301 302 940 941 MemoryCPU registers Step 6 3 + 2 = 5 Fetch StageExecute Stage Provádění programu

14 Operační systémy LS 2014/2015 Process management Memory management I/O ControlFile Management CPU Main Memory I/O DevicesSecondary Storage Software Hardware Souvislost mezi HW a SW

15 Operační systémy LS 2014/2015 - hardware – poskytuje základní systémové zdroje (CPU, memory, I/O devices) - operační systém – řídí a koordinuje použití prostředků mezi různými procesy (programy) různých uživatelů - aplikační programy – definuje způsoby použití systémových zdrojů pro řešení uživatelských programů (compilers, database systems, video games, business programs) - uživatelé – lidé, stroje, jiné počítače Computer Hardware Operating System Data Base MS-WORD Paint User 1User 2User n............... Komponenty počítačového systému

16 Operační systémy LS 2014/2015 -* 1903 v Budapešti, + 1957 v USA -maďarský matematik židovského původu -značnou měrou přispěl k oborům kvantové fyziky, funkcionální analýzy, teorie množin, ekonomiky, informatiky, numerické analýzy, hydromechaniky a statiky -od útlého věku známky geniality, jazykové nadání a neobyčejná paměť -celosvětově se prosadil v roce 1928 jako spolutvůrce matematické teorie her -v roce 1929 se stal spolu s Albertem Einsteinem zakládajícím členem Institut for Advanced Study v Princetonu -nejvýznamnější jsou jeho objevy jako průkopníka digitálních počítačů a operační teorie kvantové mechaniky, teorie her a buňkového automatu John von Neumann

17 Operační systémy LS 2014/2015 -vznikla kolem roku 1945 -základní moduly jsou procesor, operační paměť, vstupní a výstupní zařízení -platná s výjimkami do dnešní doby -základní principy: sériové zpracování instrukcí jednotné uložení dat i programu univerzální struktura počítače (nezávislost na řešené úloze) binární prezentace údajů Pojetí počítače podle von Neumanna

18 Operační systémy LS 2014/2015 Pojetí počítače podle von Neumanna

19 Operační systémy LS 2014/2015 paměť dat ALU vstupy/výstupy registr instrukcí řadič paměť programu Harvardská architektura počítače

20 Operační systémy LS 2014/2015 -návrh: Howard Aiken v 30. letech 20. století na Harvardské univerzitě -vývoj reléového počítače Harvard Mark 1 -instrukce na děrné pásce, data na elektro-mechanických deskách -použito také na Pensylvánské univerzitě pro ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) -již tehdy šlo o moderní koncepci, která nebyla realizována kvůli technickým prostředkům a proto byla použita von Neumannovská architektura -později bezproblémová realizace -typické oddělení paměti pro data a program (může být jiná šířka sběrnice, jiná technologie a rychlost pamětí, jiná velikost nejmenší adresovací jednotky) -větší technologická náročnost -vyšší rychlost provádění instrukcí (dvojí paměť umožňuje současný přístup k datům i instrukcím) -typickým představitelem jsou signálové procesory od Motoroly -pro zvýšení výpočetní výkonnosti se používá pipelining -přímý přístup do paměti je umožněn vícenásobným kanálem DMA -program nemůže přepsat sám sebe -nevyužitou paměť dat nelze použít pro instrukce a obráceně Harvardská koncepce počítače

21 Operační systémy LS 2014/2015 Používané číselné soustavy: dekadická (desítková) binární (dvojková) oktalová (osmičková) hexadecimální (šestnáctková) - soustavy váhové 528 = 5*10 2 + 2*10 1 + 8*10 0 1101B = 1*2 3 + 1*2 2 + 0*2 1 + 1*2 0 0574 = 5*8 2 + 7*8 1 + 4*8 0 1AB5H = 1*16 3 + 10*16 2 + 11*16 1 + 5*16 0 - lepší orientace v binárních zápisech, hexadecimální vyjadřování - vzájemné převody Číselné soustavy

22 Operační systémy LS 2014/2015 - řídící, datová, adresní, šířka, rychlost ISA (Industry Standard Architecture, IBM, 1984), data 16 bitů adresa 24 bitů, 8 MHz => 5 MB/s, známá technická specifikace, vnášela omezení při komunikaci s periferiemi MCA (Microchanel, IBM, 1987), šířka 32 bitů, 10 MHz, má dvojnásobný počet adresních vodičů => 6x rychlejší než ISA, špatná marketingová strategie, není kompatibilní s ISA EISA (Compaq, 1986), 32 bitů, kompatibilní k ISA, 5x dražší Local Bus - zachovává ISA, lokální spojení procesoru a paměti, 50 MHz, 130 MB/s, omezení počtu periferií PCI (Peripherals Component Interconnect, IBM, 1992), 64 bitů, 132 MB/s, 84 pinů, bus mastering, sdílení IRQ, PCI-X 150 pinů (1.0, 2.0, 266 MHz, 2,1 GB/s, 533 MHz, 4,2 GB/s) AGP (Accelerated Graphics Port), pro graf. kartu 528 MB/s, 4x 108 pinů, 100 MHz, 8x – výkon 2GB/s USB sériová polyfunkční sběrnice, 3.0 4 800 MB/s FireWire (50 MB/s), RS-485, I 2 C až 32 nízkorychlostních periferií Sběrnice počítače

23 Operační systémy LS 2014/2015 - PCI-Express, PCIe (známá i jako 3GIO, PCI-E), náhrada PCI, PCI-X a AGP - Arapahoe, - původní návrh přinesla skupina AWG (Arapahoe Work Group), konečný standard z dílny Dell, IBM a HP - možnost „hot-plug“ (výměna za provozu) - existují verze 1, 2 a 3 (PCIe v. 2.0 1x 500 MB/s jednosměrně, 4x, 8x a 16x (2 GB/s, 4 GB/s a 8 GB/s)) - není dost rychlá pro použití jako paměťová sběrnice - verze jsou kompatibilní PCI Express

24 Operační systémy LS 2014/2015 - FSB (Front Side Bus) je fyzická obousměrná datová sběrnice, která přenáší veškeré informace mezi procesorem a severním můstkem -některé procesory mají L2 nebo L3 vyrovnávací paměti, které jsou k procesoru připojeny přes BSB. Tato sběrnice a vyrovnávací paměť se připojují rychleji než přístup do paměti přes FSB -šířka pásma FSB je dána šířkou sběrnice a kmitočtem (1600 MB/s) -čipset je spojovacím bodem pro všechny ostatní sběrnice v systému (PCI, AGP, paměť) - pomalá FSB může zpomalovat rychlý procesor (procesor čeká na data z paměti) - frekvence, se kterou procesor pracuje, je určena použitím násobičky kmitočtu FSB (550 MHz – CPU, 100 MHz – FSB, multiplier – 5,5x) - frekvence FSB bývá stovky MHz Sběrnice procesoru

25 Operační systémy LS 2014/2015 CPU Northbridge Southbridge IDE SATA USB Ethernet Audio CMOS Chipset Front Side Bus Memory Bus Memory Slots PCI Bus Cables and ports leading off-board Super I/O Graphics card slot High-speed graphics Bus AGP or PCIX Internal Bus Serial Port Parallel Port Floppy Disk Keyboard Mouse Low Pin Count Bus Flash ROM (BIOS) PCI Slots PCI Bus I/O controller hub) (memory controller hub) Clock Generator Onboard graphics controler

26 Operační systémy LS 2014/2015 - většina procesorů podporuje nejméně dva režimy zpracování instrukcí, zpracování spojené s uživatelským programem (user mode), zpracování spojené s operačním systémem (system mode, control mode, kernel mode) - je potřeba oddělit manipulaci se systémovými daty a uživatelskými daty - oddělení není nezbytné, ale z hlediska bezpečnosti velice žádoucí - režim je indikován na procesoru typicky pomocí jednoho bitu Režimy práce procesoru

27 Operační systémy LS 2014/2015 - 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 - rychlejší přístup – dražší bit - větší kapacita – levnější bit - větší kapacita – pomalejší přístup Multiprogramování Paměťová hierarchie

28 Operační systémy LS 2014/2015 Michael J. Flynn (Stanford University,1966) třídí paralelní systémy z hlediska počtu toků instrukcí a počtu toků dat, příliš hrubé rozdělení, přesto rozšířené, rychlé přežívání, rozlišuje čtyři základní kategorie počítačových architektur: SISD (Single Instruction Single Data) jednoprocesorový počítač zpracovávající jeden tok dat, data v jedné paměti (von Neumann) SIMD (Single Instruction Multiple Data) počítač používající větší počet funkčních jednotek (procesorů), všechny procesory vykonávají současně stejnou operaci na různých datech, maticové počítače, vektorové počítače MISD (Multiple Instruction Single Data) hypotetická kombinace několika programů zpracovávajících jeden tok dat, takový princip se zatím nepoužívá a je někdy nesprávně zaměňován se systémem se zřetězeným zpracováním instrukcí (pipelining), u zřetězeného zpracování instrukcí je aktivní vždy pouze jeden program, kategorie počítačů, která není v praxi příliš běžná, posloupnost dat je přenášena k množině procesorů, lze sem zařadit některé speciální systémy, jako jsou systolická pole nebo neuronové sítě, implementováno zřídka MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) obecný typ paralelního systému, který obsahuje jednotky již tak samostatné, že každá z nich plní samostatný program a přitom zpracovávají jiná data, nejčastější typ paralelizace, multiprocesorový systém, v němž je každý procesor řízen samostatným programem a pracuje nad svými daty, multiprocesorový systém – těsná vazba, distribuovaný systém – volně vázaný systém Flynnova klasifikace systémů

29 Operační systémy LS 2014/2015 PIC 8259A 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Přerušení (Interrupt) je schopnost procesoru přerušit právě vykonávaný program a začít vykonávat program jiný (obsluha přerušení), začalo se implementovat z důvodu obsluhy periferií (procesor nemusí čekat ve smyčce na pomalé zařízení), dnes je využito při přepínání procesů Přerušení - technickými prostředky (vnější), instrukcí INTR nemaskovatelná maskovatelná - programově (vnitřní) instrukcí INT n chybou při běhu programu - sled činností:uloží se FLAGS vynulují se IF, TF CS do zásobníku do CS obsah hodnoty přerušení IP do zásobníku (neprovedená instrukce) do IP obsah hodnoty přerušení - přerušení se uplatní po provedení instrukce - návrat instrukcí IRET

30 Operační systémy LS 2014/2015 IRQ0 - systémový časovačIRQ8 – hodiny reálného času IRQ1 - řadič klávesniceIRQ9 – available, NIC, SCSI IRQ2 - sekundární PICIRQ10 – available, NIC, SCSI IRQ3 - COM2, COM4IRQ11 – available, NIC, SCSI IRQ4 - COM1, COM3IRQ12 – myš, PS/2 IRQ5 - LPT2 (zvuková karta)IRQ13 – floating point unit IRQ6 - řadič disketIRQ14 – ATA (CD ROM, HD) IRQ7 - LPT1 (zvuková karta)IRQ15 - ATA Typ signálu přerušení, které lze maskovat (bit IF – Interrupt Enable Flag v příznakovém registru nastaven na 0), potom se přerušení generované signálem INTR neprovede IRQ Levels (Interrupt Request)

31 Operační systémy LS 2014/2015 N+1 T Processor Program counter Stack pointer General registers Y T-M Start Return T T-M Zásobník Přerušovací rutina Y Y+L N N+1 Uživatelský program Main memory Y+L+1 T-M Processor N+1 T Start Return T T-M Zásobník Přerušovací rutina Y Y+L N N+1 Uživatelský program Main memory Vyvolání přerušení po instrukci N Návrat z přerušení

32 Operační systémy LS 2014/2015 START HALT 1 2 i i+1 M... INTERRUPT HANDLERUSER PROGRAM FETCH NEXT INSTRUCTION EXECUTE INSTRUCTION CHECK FOR INTERRUPT INITIATE INTERRUPT HANDLER Interrupt disabled Interrupt enabled Instrukční cyklus s přerušením

33 Operační systémy LS 2014/2015 Sekvenční způsobVnořený způsob Je možné zavádět prioritní obsluhu přerušení Po dobu přerušení je zákaz jiného Obsluha přerušení

34 Operační systémy LS 2014/2015 t=0 t=10 t=15 t=25 t=35 t=40 Printer interrupt service routine User program Comunication interrupt service routine Disk interrupt service routine 2 4 5 Interrupt occurs = 10Interrupt occurs = 15 Interrupt occurs = 20 Časování při vícenásobném přerušení

35 Operační systémy LS 2014/2015 Idea Algorithm Source Program Binary Program Status Stack Data Files Other Resources Execution Engine Process Vytváření programu

36 Operační systémy LS 2014/2015 Algoritmus -determinovanost -rezultativnost -hromadnost -efektivnost - analýza - editace - překlad - sestavení - spuštění Vytváření programu