Architektura počítače

Transkript

ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ
Základní bloky
Provádění instrukcí
České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická
Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01
Ver.1.00
2010
Hodnocení předmětu A0B38UOS
•
•
•
CVIČENÍ
• Během semestru 4 testy:
• 15 minut: (4., 6., 8. cvičení)
• 60 minut: (11. cvičení)
• Ze semestru lze získat maximum 60 bodů.
• Na zápočet minimum 30 bodů !
ZKOUŠKA
• Zkouškový test + krátká ústní část (maximálně 40 bodů).
KLASIFIKACE
• 90 – 100 bodů A (výborně)
• 80 – 89 bodů B (velmi dobře)
• 70 – 79 bodů C (dobře)
• 60 – 69 bodů D (uspokojivě)
• 50 – 59 bodů E (dostatečně)
•
< 50 bodů F (nedostatečně)
Klasifikace je možná na základě hodnocení ze cvičení při dosažení ≥ 30 bodů!!!
• 55 – 60 bodů A (výborně) + absolvování krátké ústní zkoušky
• 49 – 54 bodů B (velmi dobře) + absolvování krátké ústní zkoušky
• 43 – 48 bodů C (dobře)
• 37 – 42 bodů D (uspokojivě)
• 30 – 36 bodů E (dostatečně)
Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače
2
Studijní materiály a informace o předmětu
• http://measure.feld.cvut.cz/vyuka/predmety/bakalarske/navody
• http://measure.feld.cvut.cz/node/2700
3
„Nultá“ generace 1642 - 1945
•
Mechanické počítače (kalkulátory)
• 1642 – Blaise Pascal – kalkulátor po výběr daní (+, -)
• 1672 – Gotfried von Leibniz – mechanický počítač (+, -, *, /)
• (1792-1871) – Charles Babbage – analytical engine
• První skutečný počítač
• Měl čtyři části
• Store (paměť), Mill (CPU), Input section (čtečka děrných
karet – z měděného plechu), Output section (děrovačka
karet). Neměl operační systém.
• Kapacita paměti – 1000 slov (slovo 50 dekadických cifer)
• Mill četl operandy z paměti, uměl +, -, *, -, a výsledek zapsal
zpět do paměti.
• Velký pokrok – počítač byl universální, četl program a data z
děrných karet a výsledek přenesl do výstupních karet
• Programoval se v jednoduchém assembleru
• Programátorka – Ada Lovelace (dcera básnika Byrona)
• Počítač nikdy nepracoval uspokojivě, nepřesné mech.součásti
4
První generace (1945-55)
•
HW – elektronky nebo elektromechanická relé
• Mnoho pokusů, USA, Anglie, Německo
• Př.:
• Německo K. Zuse – Z3 computer (hw – relé)
• Anglie Collosus
• USA W. Mauchley a J.Eckert – ENIAC (hw – elektronky)
• Počítače velmi nespolehlivé (elektronky), pomalé (relé)
• Neexistovaly programovací jazyky
• Neexistoval operační systém
• Program se připravoval na propojovací desce (kabely), počítač si
programátor vyhradil pro sebe vložil propojovací desku a zkoušel
program.
• Počítač se použival pro numerické výpočty
• Okolo roku 1950 – začátek používání děrných štítků (malé vylepšení)
5
Druhá generace (1955-65)
•
HW – Tranzistory, OS – Batch Systems, Mainframe
• Vynález tranzistoru (1947) radikálně změnil situaci
• Počítače se staly dostatečně spolehlivé, daly se použít pro komerční
výpočty
• Mohly být vyráběny a prodány zákazníkům
• Byly velmi drahé (miliony dolarů)
• Počítače si mohly dovolit pouze velké a bohaté podniky
• Poprvé došlo k jasnému oddělení činnosti navrháře počítače, výrobce,
operátora, programátora a personálu údržby
• Tyto počítače se nazývaly „Mainframes“
• Zabíraly celé klimatizované místnosti
• CPU podstatně rychlejší než I/O operace (štítky, pásky), snaha využít
výkon počítače efektivně – vstupní a výstupní operace na levnějších, ale
pomalejších počítačích, výpočet pak na hlavnim stroji – dávkové
zpracování (Batch processing)
6
Druhá generace (1955-65)
•
•
HW – Tranzistory, OS – Batch Systems
Dávkové zpracování (Batch Processing)
[1]
Slow
Fast, Large Main Memory
Slow
IBM Computers
(Mainframes)
[1] Tanenbaum, A: Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, 2008
7
Výpočetní dávka na děrných štítcích
•
Dávkové zpracování (Batch Processing), Job
Koncový štítek dávky
Data programu
JAN NOVAK
Zdrojový kód programu
Pokyn k natažení překladače
První štítek dávky
8
Postup zpracování programu
•
•
•
Počítače (Mainframes) drahé – miliony dolarů
Zabíraly celé místnosti (klimatizace)
Postup zpracování programu:
• Zapsat program na papír
• Přenést na děrné štítky (děrovací psací stroj) – sestavit dávku (Batch)
• Přinést dávku obsluze počítače
• Přenést informace z děrných štítků na magnetickou pástku
• Přenést magnetickou pásku na hlavní počítač
• Spustit výpočet (i více dávek najednou)
• Výsledek se zapíše na jinou magnetickou pásku
• Přenést pásku na tiskový počítač
• Vytisknou buď výsledek, častěji chybové hlášení (syntax error)
• Vyzvedout tiskovou sestavu u obsluhy
• Prostudovat tiskovou sestavu
• Upravit program a celý postup opakovat
9
Třetí generace 1965-80
•
•
•
•
•
•
•
HW – integrované obvody (SSI - malá integrace)
OS – multiprogramming, spooling, timesharing
Řada počítačů IBM360 – jsou kompatibilní, liší se rychlostí a velikostí paměti
Operační systém OS360 shodný pro celou řadu
Nový princip řízení výpočtu - Multiprogramming
• Umožnil efektivní využití CPU (rychlé) i když I/O operace jsou pomalé
• V hlavní paměti je současně několik úloh (Jobs), když daná úloha čeké
na ukončení I/O operace, CPU se přidělí další úloze (multiprogrammig)
Současné (paralelní) čtení programu z děrných štítků a výpočet – Spooling
(Simultaneous Peripheral Operation On Line). Odpadá počítač pro pořizování
dat. Nová úloha (Job) mohla být operačním systémem spuštěna ihned po
dokončení předchozí.
Interaktivní sdílení času - Timesharing – k počítači připojeno více (mnoho)
terminálů a uživatel mohl s počitačem komunikovat interaktivně. Čas CPU byl
přidělován jednotlivým uživatelům tak často, aby vznikl dojem, že každý
uživatel má počítač ihned k dispozici.
10
Některé OS využívající Timesharing
•
•
CTSS (Compatible Time Sharing System) – 1962 M.I.T
MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) – Bell Labs, GE
•
Vznik trhu minipočítačů (Minicomputers) – 1961 – DEC (Digital Equipment
Corporation) PDP-1, PDP-7, PDP-11 – řádově levnější než „Mainframes“,
minipočítač si mohly dovolit university i menší firmy.
•
Jeden z autorů MULTICS tento OS upravil pro PDP-7 – vznik OS UNIX
• Významné verse UNIXu – System-V (AT&T), BSD (Berkeley Software
Distribution)
• IEEE – vytvořila normu (Standard) pro UNIX → POSIX
• MINIX – malý klon UNIXu (1987) (Tannenbaum)
• Linux (upravený MINIX) (Linus Torvalds)
11
Čtvrtá generace 1980-2010
•
•
•
HW – mikroprocesory (integrované obvody LSI, VLSI – velká integrace)
OS CP/M, MS-DOS, Windows, Apple Macintosh
Vznik osobních počítačů a později sítových OS
• 1971 Intel 4004
• 1974 Intel 8080, Motorola 6800, Zilog Z80 (1975)
• 1977 CP/M – Control Program for Microcomputers (Digital Research) –
secondary storage – Floppy disk
• 1978 Intel 8088 (16 bit machine)
• 1980 IBM PC (Personal Computer)
• 1980 MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System (na HDD)
• 1983 Intel 80286
• Apple Macintosh OS a GUI (Graphical User Interface)
• 1985-1995 Microsoft Windows – jen grafická nadstavba nad MS-DOS
• 1985 Windows 95 (16 bit system)
• 1988 Windows 98 (16 bit system)
12
Čtvrtá generace 1980-2010
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1999 – Windows NT 4.0 (New Technology)(32 bit) – již bez MS-DOS
Windows NT přejmenovány na Windows 2000
2001 Windows XP (vylepšené NT)
2007 Windows Vista
2009 Windows 7
Paralelně s Windows se šíří používání různých verzí UNIXu – Linux
• Včetně několika versí GUI pro UNIX
• X Windows System (X11)
• Gnome
• KDE
Rychlé rozšiřování síťových a distribuovaných OS
Oddělená kapitola – Operační systémy reálného času (Real Time Operating
Systems – RTOS) – na PC i v Embedded (vestavných) aplikacích počítačů.
Hard RTOS, Soft RTOS.
13
Operační systém (Operating System)
•
Operační systém je software který [1]:
• pro uživatelské programy vytváří lepší, jednodušší, přehlednější základnu
pro efektivní využití počítače,
• spravuje všechny prostředky (resources) počítače.
•
Prostředky (resources) počítače:
• Procesory
• Operační paměť (Main Memory)
• Disky
• Tiskárny
• Klávesnice
• Myš
• Síťové adaptéry
• … různá další vstupní a výstupní zařízení (Devices)
[1] Tanenbaum, A: Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, 2008
14
Komponenty počítačového systému
15
Komponenty operačního systému
16
Struktura počítače
Kontrolní seznam 1
Check list No.1
Struktura počítače
• Počítač
• Procesor
• Operační paměť
• Periferní obvody
• ALU – aritmetická a logická jedn.
• Registr (paměťové místo)
• Řízení procesoru - Řadič
• Vstupní kanály
• Výstupní kanály
• Společná sběrnice
• Bit
• Byte (slabika)
Computer structure
• Computer
• Processor, CPU
• Main Memory
• Peripherals
• ALU – Arithmetic Logic Unit
• Register
• Processor control - Controller
• Input (Input Channels)
• Output (Output Channels)
• Bus (Common Bus)
• Bit
• Byte
17
Strukrura počítače
Hlavní komponenty
počítače
Paměť
programu
a dat
Vstupní
a výstupní
zařízení
Komunikace
s okolním
světem
Procesor
Výpočetní
část
Mezipaměť
výsledků
Řízení
Řadič
(Controller)
18
Propojení bloků počítače – Bus (společná sběrnice)
19
Paměti počítače
Common
Bus
XTAL
Clock
CPU
Program
Memory
MAIN
MEMORY
BIOS
Operating
System
PROGRAM
INSTRUCTIONS
Application
Program
BUS
MASTER
CPU - SYNCHRONOUS FINITE
STATE MACHINE (FSA, FSM)
SEQUENTIAL PROGRAM PROCESSING
(ONE INSTRUCTION AT A TIME)
PROGRAM
VARIABLES
&
PROGRAM
STACK
Data
Memory
CD/DVD
Output
COMMON DATA PATH
(BIDIRECTIONAL)
HDD
I/O
Channels
Input
EXTERNAL
MEMORY
FLASH
Corsair
20
Organizace operační paměti (Main Memory)
•
Operační paměť (Main Memory) je rozdělena na buňky – paměťová místa,
kterým jsou přiřazena nezáporná čísla nazývaná adresy
•
• Obsah paměťového místa je slovo
• slovo (word) – velikost závisí na procesoru (např. 16b, 24b, 32b, 64b),
• b – značí bit (binary digit)
• B – značí byte (slabika), 8b = 1B, byte je uspořádaná osmice bitů,
obvykle 2 nebo i více byteů tvoří slovo, např. u procesorů Intel řady
x86 – 1 slovo = 2B = 16b.
21
Procesor a operační paměť - Výkon vs. roky
Výkon
100.000 x
40 let
22
Paměťová hierarchie
Registry na CPU
Rychlost přístupu
Cena
Cache
Operační paměť
(DRAM)
Magnetický disk (HDD)
CD-RW
DVD-RW
Magnetická páska
Velikost
23
Instrukční cyklus
Kontrolní seznam 2
Check list No.2
Instrukční cyklus
• Čtení instrukce
• Vykonání instrukce
• Dekódování instrukce
• Čtení operandu
• Zpracování operandů
• Zápis výsledku
• Řídicí sběrnice (CB)
• Datová sběrnice (DB)
• Adresová sběrnice (AB)
• Sběrnicový cyklus
• Směr přenosu informace
Instruction cycle
• Operational code (Opcode) fetch
• Instruction execution
• Instruction decode
• Operand read
• Operand processing
• Result write
• Control bus (CB)
• Data bus (DB)
• Address bus
• Bus cycle
• Information transfer direction
24
Vykonání instrukce
25
Rozdělení společné sběrnice
26
Kde číst následující instrukci
Čítač instrukcí
1) Další instrukci čti vždy z adresy
uložené v PC
2) Adresa v PC se mění automaticky,
po čtení instrukce ukazuje na další
instrukci
3) Adresa v PC se dá změnit
vykonáním instrukce skoku, cílová
adresa je součástí instrukce
27
Větvení programu (Jump, Branch)
Realizace větvení programu
28
Dekompozice problému na dílčí části
29
Zde příklad v Javě
30
Požadavky pro volání procedury
Návratová adresa
31
Princip volání procedury (Procedure Call)
Zásobník
(návratových
adres)
Ukazatel
zásobníku
32
Synchronní akce – volání procedury
Kontrolní seznam 3
Check list No.3
Synchronní akce
• Čítač instrukcí - PC
• Ukazatel do paměti programu
• Postupné čtení
• Automatická inkrementace
• Vnucená adresa
• Zásobník
• Ukazatel zásobníku
• Ukazatel na vrchol zásobníku
• Vrchol zásobníku
• Vlož do zásobníku - PUSH
• Vyzvedni ze zásobníku - POP
Synchronous actions
• Program Counter PC
• Pointer to program memory
• Sequential read
• Auto-increment
• Forced address
• Stack
• Stack Pointer
• Pointer to stack top
• TOS – top of stack
• PUSH
• POP
33
Synchronní akce – volání procedury - pokrač.
Kontrolní seznam 4
Check list No.4
Synchronní akce - pokrač.
• Začátek programu
• Hlavní smyčka
• Volání procedury
• Návratová adresa
• Začátek procedury
• Tělo procedury
• Bod návratu (return)
• Vnořené volání
• Návěští (cílová adresa skoku)
• Skok (bez návratové adresy)
• Hloubka zásobníku
Synchronous actions – cont'd
• Program start point
• Main loop
• Procedure call
• Return address
• Procedure start
• Procedure body
• Return
• Nested calls
• Label (jump target address)
• Jump (no return address)
• Stack depth
34
Prostředky pro organizaci volání procedury
35
Sdílené prostředky (sdílí je procedury)
36
Princip volání procedury (synchronní)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Volání procedury - souhrn akcí
Volání procedury je vyvolané programem (synchronní) ne vnější událostí
(vnější událost – viz. přerušení)
Stejným mechanismem se řídí i vnořené volání (procedura volá proceduru)
Další instrukce se vždy čte z adresy právě uložené v čítači instrukcí (PC)
Čti instrukci “Call“
Ulož “návratovou adresu“ (tj. obsah čítače instrukcí) do zásobníku
Vlož do čítače instrukcí počáteční adresu procedury
Ulož kontext do zásobníku
Proveď tělo procedury
Vyzvedni kontext
Proveď instrukci “Return“
Ta vyzvedne “Návratovou adresu“ ze zásobníku do čítače instrukcí (PC)
Pokračuj v programu za místem volání “Call“ na pozadí – tj. čti instrukci
z adresy uložené v PC
37
Před čtením “CALL“
1
2
3
4
5
6
7
38
Po čtení “CALL“
1
1
2
3
4
5
6
7
39
Během provádění “CALL“
2
1
2
3
4
5
6
7
40
Po provedení “CALL“
3
1
2
3
4
5
6
7
41
Před čtením “RETURN“
4
1
2
3
4
5
6
7
42
Po čtení “RETURN“
5
1
2
3
4
5
6
7
43
Po čtení “RETURN“
7
6
1
2
3
4
5
6
7
44
Princip volání procedury (synchronní) - souhrn
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Volání procedury - souhrn akcí
Volání procedury je vyvolané programem (synchronní) ne vnější událostí
(vnější událost – viz. přerušení)
Stejným mechanismem se řídí i vnořené volání (procedura volá proceduru)
Další instrukce se vždy čte z adresy právě uložené v čítači instrukcí (PC)
Čti instrukci “Call“
Ulož “návratovou adresu“ (tj. obsah čítače instrukcí) do zásobníku
Vlož do čítače instrukcí počáteční adresu procedury
Proveď tělo procedury
Vyzvedni kontext
Pokračuj v programu za místem volání “Call“ na pozadí – tj. čti instrukci
z adresy uložené v PC
45
Asynchronní akce – hardwareové (hw) volání procedury
Žádosti
o přerušení
Řadič přerušení
46
Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR)
Kontrolní seznam 5
Check list No.5
Asynchronní akce
• Systém přerušení
• Hardwarové volání procedury
• Předdefinovaná cílová adresa
• Vektor přerušení
• Tabulka vektorů přerušení
• Asynchronní žádost o přerušení
• Řadič přerušení
• Vstupy žádostí o přerušení
• Asynchronní událost
• Žádost o přerušení do CPU
• Potvrzení žádosti od CPU
Asynchronous actions
• Interrupt system
• Hardware procedure call
• Predefined target address
• Interrupt vector
• Interrupt vector table
• Asynchronous interrupt request
• Interrupt controller
• Interrupt request inputs
• Interrupt event
• CPU interrupt request
• CPU interrupt acknowledge
47
Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR).
Kontrolní seznam 6
Check list No.6
Asynchronní akce - pokrač.
• Instrukce je nepřerušitelná
• Reakční doba přerušení
• Priorita přerušení
• Statická priorita přerušení
• Dynamická priorita přerušení
• Programová priorita přerušení
• Typy přerušení
• Maskovatelné přerušení
• Nemaskovatelné
• Programové (ladící) přerušení
• Program řízený událostmi
Asynchronous actions – cont'd
• Instruction is uninterruptable
• Interrupt latency
• Interrupt priority
• Static interrupt priority
• Dynamic interrupt priority
• Software interrupt priority
• Interrupt types
• Maskable interrupt
• Nonmaskable interrupt
• Trap (software interrupt)
• Event driven program
48
Kontrolní seznam 7
Check list No.7
Asynchronní akce - pokrač.
• Obsluha přerušení - ISR
• Návratová adresa z přerušení
• Instrukce návratu z přerušení
• Asynchronní událost
• Pozadí programu
• Nejnižší hladina programu
• Sdílené zdroje
• Střadač
• Stavové slovo procesoru - PSW
• Příznakový registr
• Kontext programu (uložit/obnovit)
Asynchronous actions – cont'd
• Interrupt service routine - ISR
• Interrupt return address
• Interrupt return instruction
• Asynchronous event
• Background (level)
• Lowest program level
• Shared resources
• Accumulator
• Processor status word - PSW
• Flag register
• Program context (save/restore)
49
50
Prostředky pro organizaci hw volání procedury (interrupt)
51
Sdílené prostředky (sdílí je ISR a přerušený program)
52
Žádost o obsluhu přerušení (hw volání procedury)
53
Žádost o obsluhu aktivní - 1
54
Dokončení aktivní instrukce - 2
55
Uložení (Push) návratové adresy do zásobníku (Stack) - 3
56
Vyzvednutí adresy obslužného programu (ISR) - 4
57
Spuštění obslužné procedury přerušení (ISR) - 5
58
Uložení kontextu do zásobníku - 6
59
Provedení těla obslužné procedury (ISR) - 7
60
Obnovení kontextu (ze zásobníku) - 8
61
Vyzvednutí návratové adresy (ze zásobníku) - 9
62
Obnovení běhu přerušeného programu - 10
63
Princip programu řízeného událostmi - souhrn
•
Obsluha žádosti o přerušení – souhrn akcí
•
•
Dokonči právě prováděnou instrukci (instrukce je nepřerušitelná)
Ulož (Push) “návratovou adresu“ do zásobníku (tj. adresu, která je
právě v čítači instrukcí (PC))
Vyzvedni adresu ISR (tj. podprogramu obsluhy přerušení) z tabulky
vektorů přerušení
Spusť ISR
Vynuluj “Interrupt Request Flag“ (závisí na typu procesoru)
Proveď tělo ISR (vlastní obsluhu žádosti o přerušení)
Obnov původní kontext (vyzvedni ho ze zásobníku)
Pokračuj v programu na pozadí – tj. čti instrukci z adresy uložené v PC
•
•
•
•
•
•
•
•
•
64
Event Driven Program Principle - summary
•
Interrupt request service summary
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Finish current background instruction (instruction is uninterruptable)
Push “Return Address“ to stack (i.e. address in program counter)
Get “ISR Address“ from “Interrupt Vector Table“
Start ISR routine
Clear “Interrupt Request Flag“ (depends on processor type)
Save context to stack
Run ISR body
Restore context from stack
Execute “Return“ instruction
Pop “Return Address“ from stack (Pop it to program counter)
Continue background program – read next instruction from address in PC
65
ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ
Základní bloky
Provádění instrukcí
KONEC
České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická
66

Architektura počítače

Transkript

Podobné dokumenty

Vypracovane otazky k bakalarskym statnicim

Vstup/Výstup

uloha operacniho systemu 542.33 KB 05.09.2012

Online prodejní kanál v roce 2011 narostl o 57 % – Samsung v něm

Tisková zpráva č. 6: Program 17. Festivalu francouzského filmu

Architektura počítačů a operačních systémů

Tisková zpráva č. 1 - festival francouzského filmu / festival du film

Architektura OS

Operační systémy

IVT přehled (2005)

kokomo

Pravidla provádění plateb na Facebook

Základy operačních systémů

Provetro

Plánování - Aldebaran

Topologie v GIS - České vysoké učení technické v Praze