operačnísystémy a databáze...
Post on 07-Jul-2020
6 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Úvod, Technické vybavení 1A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Operační systémy a databázeA3B33OSD
Jiří Lažanský, K13133lazan@labe.felk.cvut.cz
Úvod, Technické vybavení 2A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Téma 1: Úvod, Technické vybavení
1. Obsah a organizace předmětu2. Co to je Operační systém3. Multiprogramování, sdílení času4. Rozmanitost operačních systémů, historie5. Základní struktura technického vybavení6. Procesor a jeho registry7. Instrukce a jejich vykonávání8. Vstup a výstup9. Režimy práce procesoru10. Výjimečné situace, přerušení11. Paměti a jejich hierarchie12. Ochranné mechanismy
Obsah
Úvod, Technické vybavení 3A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
O čem tento předmět NENÍ
• Poznat principy práce OS a databázových systémů• Naučit se systémy využívat efektivně a bezpečně
– Vhodným programováním na uživatelské úrovni lze mnohdy výraznězefektivnit běh úloh
• Ukážeme proč a jak– Při tvorbě složitějších systémů lze narazit na zřídka se vyskytující, o
to však nebezpečnější situace– Systematická organizace dat v databázích je základem efektivního
přístupu k nim a minimalizace duplicit v datech• Vícenásobný přístup k datům vede na otázky řešené v operačních
systémech
Cíle předmětu
Jaký JE účel tohoto předmětu
• O konkrétních implementacích konkrétních operačních systémů (OS) na konkrétních hardwarových platformách ani o konkrétních databázových systémech
– Konkrétní implementace pouze jako ilustrace principů• O tvorbě operačních systémů jako celků
Úvod, Technické vybavení 4A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Studijní podklady• Předmět má dvě volně provázané části: OS a DBMS• Souhrnná literatura v češtině není• Tyto prezentace (stránka předmětu):
http://labe.felk.cvut.cz/vyuka/A3B33OSD/• Cvičení částečně seminární a samostatná práce
– Odkaz na cvičení z uvedené stránky– Vedoucí cvičení: RNDr. Petr Štěpán, PhD.
• Zkouška:– Výsledky cvičení (až 10 b.)– Test u zkoušky (až 5 b. – k pokračování ve zkoušce nutno aspoň 3 body)– Zadané příklady/úlohy (až 15 b.) – Hodnocení:
• ≥ 27 & Minimálně 9 b. ze cvičení+ ≥ 4.5 b. z testu → A (výborně)
• ≥ 24 & Minimálně 8 b. ze cvičení → B (velmi dobře)• ≥ 21 & Minimálně 7 b. ze cvičení → C (dobře)• ≥ 18 → D (uspokojivě)• ≥ 15 → E (dostatečně)
Úvod, Technické vybavení 5A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Literatura
• Tanenbaum A. S.: Modern Operating Systems
• Stallings W.: Operating Systems: Internals and Design Principles
• Silberschatz A., Korth H. F., Sudarshan S.: Database System Concepts
– http://codex.cs.yale.edu/avi/db-book/
• Silberschatz A., Galvin P. B., Gagne G.:Operating System Concepts
– http://codex.cs.yale.edu/avi/os-book/OS7/os7c/index.html
Úvod, Technické vybavení 6A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
A. S. Tanenbaum:Modern Operating Systems
Úvod, Technické vybavení 7A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Proč studovat OS?• Pravděpodobně nikdo z nás nebude psát celý nový OS• Proč tedy OS studovat?
– Jde o nejrozsáhlejší a nejsložitější IT systémy• inspirace a systémový pohled na řadu jiných úloh
– Uplatňují se v nich mnohé různorodé oblasti• softwarové inženýrství, • netradiční struktury dat, • sítě, • algoritmy, …
– Čas od času je potřeba OS upravit• pak je potřeba operačním systémům porozumět• psaní ovladačů, …
– Techniky užívané v OS lze uplatnit i v jiných oblastech• neobvyklé struktury dat, krizové rozhodování, problémy souběžnosti,
správa zdrojů, ... • mnohdy aplikace technik z jiných disciplin (např. operační výzkum)• naopak techniky vyvinuté pro OS se uplatňují v jiných oblastech
(např. při plánování aktivit v průmyslu)
Úvod, Technické vybavení 8A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Co to je Operační systém? (1)• Neexistuje žádná obecně uznávaná definice• OS je programový subsystém fungující jako mezičlánek,
který spojuje uživatele a hardware počítače• Úkoly OS:
– dohlížet na provádění výpočtů řízených uživatelskými programy
– usnadňovat řešení uživatelských problémů– umožnit efektivní využití hardware počítače– učinit počítač snáze použitelný
• OS je – správce prostředků – spravuje a přiděluje zdroje systému– řídicí program – řídí provádění ostatních programů
• Jádro operačního systému – trvale ‘aktivní’ sada spolupracujících programových komponent
• ostatní (tzv. systémové) programy lze chápat jako nadstavbu jádra• aplikační programy jsou vlastně jádrem spouštěné „rutiny“
Úvod, Technické vybavení 9A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Co to je Operační systém? (2)• Několik koncepcí pojmu OS
– systémové (jen jádro a s ním související nadstavby)– „obchodní“ (to, co si koupíme pod nálepkou OS)– organizační (včetně pravidel pro hladký chod výpočetního
systému)
• OS jako rozšíření počítače– Zakrývá komplikované detaily hardware závislé na
konkrétní výpočetní platformě– Poskytuje uživateli „virtuální stroj“, který má se snáze
ovládá a programuje
• OS jako správce systémových prostředků– Každý program dostává prostředky v čase– Každý program dostává potřebný prostor na potřebných
prostředcích
Úvod, Technické vybavení 10A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Skladba počítačového systému
• Hardware– základní výpočetní zdroje (CPU/procesor, paměť, I/O
zařízení)• Operační systém
– řídí a koordinuje používání hardware různými aplikačními programy různých uživatelů
• Aplikační programy– definují způsoby, jak se zdroje výpočetního systému
používají pro řešení uživatelských výpočetních úloh (kompilátory, databázové systémy, video hry, programy účetní správy, rezervace místenek, programovatelný logický automat, ...)
• Uživatelé– lidé, stroje (řízení klimatizace budovy), jiné počítače (sítě,
distribuované systémy)
Úvod, Technické vybavení 11A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Model počítačového systému
Překladač Textový editor
Počítačováhra
Databáze
Systémové a aplikační programy
Operační systém
(jádro)
Hardware počítače
Uživatel 1
Uživatel 2
Uživatel 3
Uživatel n
...
Úvod, Technické vybavení 12A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Různorodost operačních systémů• OS „střediskových“ (mainframe) počítačů nebo
„cloudů“• OS datových a síťových serverů• OS multiprocesorových počítačů• OS osobních počítačů a pracovních stanic• OS reálného času (Real-time OS)• Vestavěné OS (tiskárna, pračka, telefon, ...)• OS čipových karet (smart card OS)• ... a mnoho dalších specializovaných systémů
Úvod, Technické vybavení 13A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Klasické „střediskové“ počítače (1)• Střediskový počítač – dnes již historický pojem• V současnosti vystupují v jejich rolích podnikové
servery• Hlavní rysy „historických střediskových“ počítačů
– Zpravidla děrnoštítkové systémy– Redukce režijního času pro přípravu výpočtů se dosahovalo
řazením podobných prací/zakázek (jobs) do dávek – batch– Batch processing, automatizace řazení dávek včetně
automaticky předávaného řízení mezi definovanými zakázkami(jobs)
– Rezidentní řídicí program – monitor – předává řízení mezi zakázkami; když zakázka končí – řízení se vrací monitoru
– Multiprogramní režim činnosti – na primitivní úrovni (aspoň z dnešního pohledu)
Úvod, Technické vybavení 14A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Klasické „střediskové“ počítače (2)
Historický systém dávkového zpracování– Operátor přinesl děrné štítky k IBM 1401– Zde vznikla tzv. „dávka“ (in-spooling)– Na IBM 7094 proběhlo vlastní zpracování– Výstupní IBM 1401 poslal výsledky na tiskárnu (out-spooling)
• Spooling se samozřejmě používá i v nejmodernějších systémech
Úvod, Technické vybavení 15A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
OS implementující multiprogramování (1)
• Funkcionalita pro ovládání I/O– Řízení operací provádí výhradně operační systém (proč?)– Dva režimy práce CPU (jádro vs. uživatel) →
privilegované instrukce• Funkcionalita pro správu paměti
– Systém musí být schopný přidělovat paměť různým zakázkám a ze zakázek odvozeným procesům dynamicky přidělovat paměť
– Dvojí pohled na paměť• z hlediska její fyzické konstrukce a šířky fyzických adresovacích
sběrnic – fyzický adresní prostor, FAP• z hlediska konstrukce adresy ve strojovém jazyku – logický adresní
prostor, LAP
– Ochrana oblastí paměti před neautorizovaným přístupem
Úvod, Technické vybavení 16A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
OS implementující multiprogramování (2)• Mechanismus přerušení
– předávání řízení mezi aplikačním programem a „monitorem“→ implementace reakcí na asynchronní události
– OS je systém řízený přerušeními• Plánování práce CPU
– spolupráce s generátorem časových značek (timer) – po uplynutí daného intervalu se generuje přerušení
– ochrana proti trvalému obsazení CPU uživatelským procesem (záměrně, chybou, ...)
– OS musí být schopen volit mezi různými výpočetními procesy připravenými k činnosti
• Funkcionalita pro přidělování zařízení (systémových zdrojů)
– dynamické přidělování– přidělování exkluzivní či sdílené
Úvod, Technické vybavení 17A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Systémy s přidělováním časových kvant
• Tzv. Time-Sharing Systems (TSS)• Multiprogramování vzniklo jako nástroj pro efektivní
řešení dávkového zpracování• TSS rozšiřují plánovací pravidla
– o rychlé (spravedlivé, cyklické ) přepínání mezi procesy řešícími zakázky interaktivních uživatelů
• Podpora on-line komunikace mezi uživatelem a OS – původně v konfiguraci počítač – terminál– v současnosti v síťovém prostředí
• Systém je uživatelům dostupný on-line jak pro zpřístupňování dat tak i programů
Úvod, Technické vybavení 18A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Osobní (personální) počítače – PC
• Typicky orientované na jednoho uživatele – v současné době ale vesměs s multiprogramováním
(multitaskingem)
• Typizované I/O vybavení– klávesnice, myš, obrazovka, malá tiskárna, komunikační
rozhraní• Upřednostňovaným cílem je uživatelovo pohodlí
– minimum ochran – hlavní roli hraje odpovědnost uživatele– často se nevyužívají ochranné vlastnosti CPU
• OS PC často adoptují technologie vyvinuté pro OS větších počítačů
• Mnohdy lze provozovat různé typy operačních systémů– M$ Windows , UNIXy , Linux ...
Úvod, Technické vybavení 19A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Paralelní a distribuované systémy• Paralelní systémy
– více procesorů (tzv. multiprocesory)– sdílí společný FAP– všechny procesory mohou „současně” vidět stav paralelně
řešené úlohy udržovaný ve sdíleném FAP– paralelní systémy jsou řízeny paralelními algoritmy– někdy též „těsně vázané“ systémy (tightly-coupled systems)
• Distribuované systémy– více počítačů (ne nutně shodných)– každý má samostatný FAP– komunikují periferními operacemi (komunikační spoje, síť)– stav distribuovaně řešené úlohy si musí každý zúčastněný
počítač postupně získávat výměnou zpráv řízenou distribuovanými algoritmy
– někdy též „volně vázané“ systémy (loosely-coupled systems)
Úvod, Technické vybavení 20A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Paralelní systémy• Zvyšují propustnost a spolehlivost při rozumných
nákladech na výpočetní systém• Multiprocesorové systémy
– systémy s více procesory vzájemně komunikujícími vnitřními prostředky jednoho výpočetního systému (např. společnou sběrnicí)
• Nesymetrický multiprocesing– každý procesor má přidělený specifický úkol– hlavní (master) procesor plánuje a přiděluje práci podřízeným
(slave) procesorům• Symetrický multiprocesing (SMP)
– využíván většinou soudobých OS– současně může běžet více procesů na různých CPU– kterýkoliv proces (i jádro OS) může běžet na kterémkoliv
procesoru
Úvod, Technické vybavení 21A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Distribuované systémy• Rozdělení výpočtů mezi více počítačů propojených sítí
– lze vyvažovat zátěž (load-sharing), výpočty se tím zrychlují i za cenu vyšší režie spojené s komunikací
– zvyšuje se spolehlivost a komunikační schopnosti– každý samostatný procesor má svoji vlastní lokální paměť– vzájemně se komunikuje pomocí přenosových spojů (sítě)
mechanismem výměny zpráv• Vynucují si použití vhodné síťové infrastruktury
– LAN, Local Area Networks– WAN, Wide Area Networks
• Klasifikace– asymetrické distribuované systémy – klient-server– symetrické distribuované systémy – peer-to-peer
• OS:– Distribuovaný OS vs. síťový OS
Úvod, Technické vybavení 22A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Paralelní a distribuované systémy
Těsně vázaný multiprocesorový systém
CPUCPUCPU ...
Paměť
Sběrnice
Klient Klient Klient Klient...
Server
Síťová infrastruktura
Distribuovaný systém typu klient-server
Úvod, Technické vybavení 23A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Real-Time systémy (RT systémy)• Zpravidla řídicí zařízení v dedikovaných (vestavěných)
aplikacích:–vědecký přístroj, diagnostický zobrazovací systém, systém
řízení průmyslového procesu, monitorovací systémy
• Obvykle dobře definované pevné časové limity• Klasifikace:
–striktní RT systémy – Hard real-time systems• omezená nebo žádná vnější paměť, data se pamatují krátkodobě v RAM
paměti• protipól TSS, univerzální OS nepodporují striktní RT systémy• plánování musí respektovat požadavek ukončení kritického úkolu v
rámci požadovaného časového intervalu • použití např. v přímém průmyslovém řízení, v robotice
–tolerantní RT systémy – Soft real-time systems• použitelné v aplikacích požadujících dostupnost některých vlastností
obecných OS (multimedia, virtual reality, video-on-demand)• kritické úkoly mají přednost „před méně šťastnými”
Úvod, Technické vybavení 24A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Kapesní systémy• Handheld Systems, Personal Digital Assistants (PDA)• Charakteristiky:
– Požadavek energetické úspornosti => Pomalé procesory– Omezená kapacita paměti– Zpravidla malý display – Potřeba multiprogramování, avšak obvykle bez sdílení času
• Mobilní telefony– Navíc podpora síťových komunikačních protokolů– Softwarové modemy
Úvod, Technické vybavení 25A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Základní komponenty osobního počítače
Úvod, Technické vybavení 26A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Komponenty „univerzálního“ počítačeTiskárny
CPUŘadičdisků
Řadičtiskáren
Řadičměniče
DVD
Jednotka správy paměti (MMU)
Hlavní paměť
Systémová sběrnice
Disky MěničDVD-RW
disků
Úvod, Technické vybavení 27A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Souvislost operací I/O a CPU
• I/O = to co se děje mezi lokální vyrovnávací pamětířadiče a vlastní fyzickou periferií
• I/O zařízení (periferie) a CPU by měly pracovat souběžně– mnohdy řádově odlišné rychlosti – každý řadič zařízení má lokální vyrovnávací paměť, buffer
• Každý řadič zařízení je odpovědný za činnost zařízeníjistého typu
– periferie jsou velmi rozmanité• Přesun dat mezi operační pamětí a lokální vyrovnávací
pamětí periférie – zajišťuje CPU programovými prostředky (tzv. programový
kanál)– specializovaný hardware (tzv. DMA kanál)
• Řadič zařízení informuje CPU o ukončení své činnosti přerušením
Úvod, Technické vybavení 28A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Sběrnicový pohled na počítač
Arbiter sběrnice
ZVV
RAM (OP)
MMU LAP->FAP
Procesor
Tři sekce: • datová • adresní (fyzické adresy) • služební
FA
LA – logické adresy
Řadič 1
Řadič 2 …
CPU
Systémová sběrnice
Úvod, Technické vybavení 29A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Centrální jednotka počítače (CPU)
Základní pohled na nejdůležitější
komponenty centrální jednotky
počítače
CPU
PC MAR
IR MBR
I/O AR
I/O BR
.
.
.
InstrukceInstrukce
Instrukce...
Data
DataDataData
.
.
.
Hlavní paměť
Systémovásběrnice
ALU
I/O Řadič
DBR
CSRDBR
Úvod, Technické vybavení 30A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Registry procesoru• Uživatelské registry
– Uživatelsky viditelné (programově dostupné) registry– Umožňují vlastní programování a zpracování dat– Obsahují data, adresy a podmínkové kódy
• Řídicí a stavové registry– Obecně nedostupné uživatelským procesům– Procesor modifikuje svoji činnost jejich obsahem (řídicí) a
vykazuje v nich svůj stav (stavové)– Některé z nich používá CPU pro řízení práce programů
• Program Counter (PC) – adresa získávané instrukce (někdy též InstructionPointer = IP)
• Instruction Register (IR) – kód instrukce přečtené z paměti• Program Status Word (PSW) – obsahuje:
Bity podmínkových kódu a stavu (např. vlastnosti výsledku předchozí operace)Interrupt enable/disable bitSystem (kernel, supervisor)/User mode bit
Úvod, Technické vybavení 31A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Uživatelské registry• Uživatelské registry
– Dostupné běžnými strojovými instrukcemi– Používány všemi programy (tj. aplikačními i
systémovými)• Typy uživatelských registrů
– Datové – většinou univerzální použití– Adresní
• Obecné adresní• Bázové registry • Segmentační registry• Indexní registry – obsahují relativní adresy• Ukazatel zásobníku (Stack pointer)
• Příklady instrukcí: move.l D0,(A4)+(MC 680*0) add.b (A1,D3),D0
Úvod, Technické vybavení 32A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Základní instrukční cyklus CPU
• Přípravná fáze (fetch cycle)– nahrává do procesoru instrukci podle PC a umístí její kód
do IR– na jejím konci se (zpravidla) inkrementuje PC
• Výkonná fáze (execute cycle)– vlastní provedení instrukce– může se dále obracet (i několikrát) k paměti
loop: FETCH; /* ((PC)) → IR */
Increment(PC);
EXECUTE; /* proveď operaci dle (IR) */
end loop
STARTNahrát
instrukciVykonat instrukci
STOP
Přípravný cyklus Výkonný cyklusInstrukce stop
Animace
Úvod, Technické vybavení 33A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Přerušení• Přerušení normální posloupnosti provádění instrukcí
– cílem je zlepšení účinnosti práce systému– je potřeba provést jinou posloupnost příkazů jako reakci na
nějakou „neobvyklou” událost– přerušující událost způsobí, že se pozastaví běh procesu v
CPU takovým způsobem, aby ho bylo možné později znovu obnovit, aniž by to přerušený proces „poznal“
• Souběh I/O operace – Přerušení umožní, aby CPU prováděla jiné akce než
instrukce programu čekajícího na konec I/O operace– Činnost CPU se později přeruší iniciativou „I/O modulu”– CPU předá řízení na obslužnou rutinu přerušení (Interrupt
Service Routine) – standardní součást OS• CPU testuje nutnost věnovat se obsluze přerušení
alespoň po dokončení každé instrukci– existují výjimky (např. „blokové instrukce“ Intel)
Úvod, Technické vybavení 34A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Cyklus CPU s přerušovacím systémem• Je nevyřízená žádost o přerušení, a přerušení je povoleno
– spustí se obslužný podprogram přerušení, jehož adresa se získáz vektoru přerušení
INTF: Boolean:=False; /* Při žádostí o přerušení → True */loop: FETCH;
Increment(PC);EXECUTE;if INTF thenUlož PSW do PSWbf;Do PSW vygeneruj slovo s indikací System mode a
Interrupt disabled;Ulož PSWbf na vrchol zásobníku;Ulož PC na vrchol zásobníku;Do PC zaveď obsah příslušné položky vektorupřerušení
end loop
Přípravný cyklus Výkonný cyklus
Přerušeni zakázána
Přerušeni povolena
Ne
Ano
Přerušovací cyklus Vektor přerušení
Ad
resy
obs
lužn
ých
podp
rogr
amů.
V
ekt
or in
dexo
ván
zdro
jem
pře
ruše
ní
Akt
ivity
při
zpra
cová
níp
řeru
šení
Úvod, Technické vybavení 35A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Výjimky a jejich třídy• Přerušení je speciálním případem výjimečné situace• Synchronní (s během programu)
– Programové (naprogramované)• speciální instrukce (INT, TRAP)
– Generované kontrolními obvody počítače:• aritmetické přetečení, dělení nulou• pokus o vykonání nelegální či neznámé instrukce• neoprávněný pokus o přístup k paměťové lokaci (narušení ochrany
paměti, virtuální paměť )
• Asynchronní (přicházející zvenčí – klasické přerušení)– I/O, časovač, hardwarové problémy (např. výpadek napájení ...)
• Kdy se na výjimečné situace reaguje?– Standardní přerušení: Po dokončení instrukce během níž vznikl
požadavek– Výjimka vysoké úrovně: Během provádění instrukce (po
dokončení některé fáze provádění instrukce) – instrukci nelze dokončit – Kritická výjimka: Nelze dokončit ani cyklus přenosu dat a je
nutno reagovat neprodleně
Úvod, Technické vybavení 36A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Organizace I/O – 2 způsoby obsluhy• I/O operace:
– Zpravidla přenos sekvence údajů– Přenos dat z I/O zařízení do OP – vstup– Přenos dat z OP do I/O – výstup
• Dva způsoby obsluhy– S aktivním čekáním (busy waiting)
• v systémech bez řízení IO pomocí OS • žádné souběžné zpracovává ní I/O, nedořešený zůstává nejvýše jeden
I/O požadavek• program testuje konec IO operace opakovanými dotazy na příslušný
stavový registr IO zařízení– S přerušením a OS řízeným souběžným prováděním
• v systémech s řízením IO pomocí OS • souběžné zpracovává ní I/O s během programu(ů)• I/O operaci zahajuje OS na žádost z uživatelské ho procesu• uživatelský proces čeká na dokončení I/O operace – synchronní řešení
I/O • uživatelský proces nečeká na dokončení I/O operace – asynchronní
řešení I/O, může běžet souběžně s I/O operací
Úvod, Technické vybavení 37A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Synchronní a asynchronní I/O operace
Čas
Ovladač periferie
Hardware
Datový přenos
Proces požadující I/O
Obslužná rutina přerušení
čeká
Událost ukončujícíčekáni
Synchronní operace
Uži
vat.
Sys
tém
.
Čas
Ovladač periferie
Hardware
Datový přenos
Proces požadující I/O
Obslužná rutina přerušení
pracuje
Oznámení o ukončení I/O operace
Asynchronní operace
• Synchronní operace – Obvyklé řešení
• Asynchronní operace– Obtížné programování
• Výstup – relativně schůdné• Vstup: Více vyrovnávacích pamětí („houpačka“)
Úvod, Technické vybavení 38A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
I/O s aktivním čekáním
• CPU zahajuje elementární přenos údajů a v „dotazovací smyčce“ čekána připravenost dat
• Jednoduché• Velmi neefektivní (až na zcela výjimečné
případy)
• Použitelné jen v primitivních systémech bez multiprogramování
Zadej příkaz "read"
I/O řadiči
Přečti stavový registr řadiče
Přečti datové slovo z datového
registru řadiče
Ulož údaj do hlavní paměti
Analyzuj stav řadiče
Hotovo?
CPU→I/O
I/O→CPU
I/O→CPU
CPU→Paměť
Nepřipraven
Data platná
Chyba
Ne
Ano
Další instrukce
Úvod, Technické vybavení 39A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Programový I/O s přerušením
• CPU inicializuje elementární přenos a věnuje se jiné činnosti
• Když je údaj připraven, adapter ZVV vyvolá přerušení
• Obslužná rutina přenese data mezi DBR a pamětí
• Pružné – data lze při přenosu upravovat• Relativně pomalé, účast CPU, řízeno
programem• Jen pro ZVV schopná práce v režimu
start-stop– Zařízení schopná pozastavit přenos dat
kdykoliv a na libovolně dlouhou dobu beze ztrát
Zadej příkaz "read"
I/O řadiči
Přečti stavový registr řadiče
Přečti datové slovo z datového
registru řadiče
Ulož údaj do hlavní paměti
Analyzuj stav řadiče
Hotovo?
CPU→I/O
I/O→CPU
I/O→CPU
CPU→Paměť
Data platná
Chyba
Ne
Ano
Další instrukce
Věnuj se jiné činnosti
Přerušení
Úvod, Technické vybavení 40A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Přímý přístup do paměti - DMA
• Určeno pro blokové přenosy dat vysokou rychlostí• I/O přenosy se uskutečňují bez přímé účasti procesoru
mezi periferním zařízením a pamětí– Procesor dovolí I/O modulu přímo číst z nebo zapisovat do
operační paměti – kradení cyklů (cycle stealing)– Procesor zadá jen velikost a umístění bloku v paměti a směr
přenosu– Přerušení se generuje až po dokončení přenosu bloku dat
CPU PaměťŘadičdisků
Úvod, Technické vybavení 41A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
I/O operace s přímým přístupem do paměti
• CPU zadá parametry přenosu DMA jednotce
• Přenos probíhá autonomně bez účasti CPU
• DMA vyvolá přerušení po ukončení přenosu bloku (nebo při chybě)
• Obslužná rutina pouze testuje chybový stav a informuje OS, že přenos skončil
Zadej příkaz"block read"
I/O řadiči
Přečti stavovýregistr DMA
Analyzuj stavDMA
CPU > DMA
DMA > CPU
Další instrukce
Chyba
Věnuj sejiné činnosti
Přerušení
Úvod, Technické vybavení 42A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Režimy práce procesoru• Dva režimy práce procesoru
– Základ hardwarových ochran– Systémový = privilegovaný režim
• procesor může vše, čeho je schopen
– Uživatelský = aplikační (ochranný) režim• privilegované operace jsou zakázány
– Privilegované operace• ovlivnění stavu celého systému (halt, reset, Interrupt
Enable/Disable, modifikace PSW, modifikace registrů MMU )• instrukce pro vstup/výstup (in, out)
– Okamžitě platný režim je zachycen v PSW (S-bit)
• Přechody mezi režimy– Po zapnutí systémový režim S U
Speciální
instrukce
Jakékoliv
přerušení
vč. synchronního
Úvod, Technické vybavení 43A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Vícenásobná přerušení
• Sekvenční zpracování– během obsluhy jednoho
přerušení se další požadavky nepřijímají (pozdržují se)
– jednoduché, ale nevhodnépro časově kritické akce
• Vnořené zpracování– prioritní mechanismus– přijímají se přerušení s
prioritou striktně vyšší, než je priorita obsluhovaného přerušení
Aplikační program
ISR 2
ISR 1
Úvod, Technické vybavení 44A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Postup přijímání přerušení (1)
• Žádost se vyhodnotí na přípustnost (priority přerušení)
• Procesor přejde do zvláštního cyklu1. Uschová se obsah stavového slova procesoru (PSW).2. Do PSW se vygeneruje "syntetické" stavové slovo s
nastaveným S-bitem. Nyní je CPU v privilegovaném režimu 3. Uschované původní PSW uloží na zásobník. Na zásobník se
uloží i čítač instrukcí PC (tzv. rámec přerušení).4. PC se nahradí hodnotou z vektoru přerušení, indexovaného
zdrojem přerušení.
Úvod, Technické vybavení 45A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Postup přijímání přerušení (2)
• Procesor přechází do normálního režimu práce a zpracovává obslužnou rutinu přerušení
– Obslužná rutina musí být transparentní– Obslužnou rutinu končí instrukce „návrat z přerušení“
(IRET, RTE) mající opačný efekt: z vrcholu zásobníku vezme položky, které umístí zpět do PC a PSW
• Při vhodném naformulování položek na vrcholu systémového zásobníku se instrukce návratu z přerušení používá pro přechod ze systémového do uživatelského režimu
Úvod, Technické vybavení 46A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Hierarchie pamětí (1)
• Hierarchie pamětí z pohledu rychlosti a kapacity– uvedená čísla představují pouze hrubá přiblížení– směrem dolů klesá rychlost i „cena za 1 bit“
• Typy prvků používaných v hlavní paměti– RAM, ROM, EEPROM, CMOS-RAM
Typická přístupová doba Typická kapacita
1 ns < 1 KB
3 ns < 16 MB
50 ns 32 MB – 16 GB
10 ms 5 – 4000 GB
100 s
Registry
Cache
Hlavní paměť
Pevný magnetický disk
Magnetická páska 20 – 1000 GB
Energeticky nezávislé
(persistent)
Energetickyzávislé
(volatile)
Úvod, Technické vybavení 47A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Hierarchie pamětí (2)• Typické údaje
na DVD, magneticképásce, apod.
na diskuv hlavnípamětiv cacheObsah zálohován
operačním systémem
operačním systémemhardwarem„překladačem“Spravováno
~ 5 ms
80 – 500 ns1 – 25 ns~ 0,5 nsPřístupová doba
magnetický disk
CMOS DRAM
CMOS SRAM
Uvnitř CPU (CMOS)Technologie
> 100 GB≤ 8 GB≤ 16 MB≤ 1 KBTypická velikost
diskhlavní paměťcacheregistry CPUOznačení
4321Úroveň
Úvod, Technické vybavení 48A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Caching, cache paměti (1)• Caching je princip používaný v OS velmi často
– části obsahu pomalejší paměti s vyšší kapacitou jsou podle potřeby dočasně kopírovány do paměti rychlejší
• Mezipaměť ležící mezi CPU a hlavní pamětí– Transparentní pro operační systém i pro programátora– Je mnohem rychlejší než operační (hlavní) paměť– Mikroprogramem řízené kopírování informací z hlavní paměti
do cache paměti po blocích– Princip časové a prostorové lokálnosti běžných programů– Problém udržení konzistence více kopií těchže dat v
multiprocesorových systémech
Hlavní paměť
CPU Cache
CPU Cache
Jednoslovní přenosy Blokové přenosy
Úvod, Technické vybavení 49A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Caching, cache paměti (2)• Velikost cache
– čím větší, tím častěji se najdou požadovaná data v cache, ale také roste cena
• Velikost přenosového bloku – kompromis:– velké bloky = dlouhé přenosy– malé bloky = časté přenosy
• Mapovací funkce – kam přijde blok do cache
• Nahrazovací algoritmus:– určuje, který blok v cache bude nahrazen– Least-Recently-Used (LRU) algoritmus
• Analogie– hardwarově realizované principy původně vyvinuté pro
virtuální paměť
Úvod, Technické vybavení 50A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Struktura diskové jednotky
• Třírozměrná adresa bloku: cylindr, povrch, sektor• Moderní LBA (lineární adresování bloků)
Úvod, Technické vybavení 51A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Bezpečnostní mechanismy v hardware• Základní opatření
– Dva režimy práce procesoru(ů) – Vstup a výstup: Povinné a uživatelským režimem vynucené
volání služeb OS • I/O instrukce jsou privilegované
– Uživatelský program nikdy nesmí získat možnost práce v privilegovaném režimu
• Např. nesmí mít možnost zapsat do PSW a změnit tak režim práce CPU (S-bit v PSW) nebo modifikovat vektor přerušení
• Ochrana paměti• Musí zabezpečit izolaci jádra OS i aplikačních programů navzájem
– Souvisí s metodami správy paměti a zobrazováním LAP do FAP
• Ochrana dostupnosti CPU– Prevence před převzetím vlády jednoho aplikačního programu
nad CPU– Řešení: časovač (timer)
• V pravidelných (privilegovaně programovatelných) intervalech vyvolávápřerušení, a tak je aktivováno jádro OS
• Mnohdy realizován jako „periferní zařízení“• O přerušení od časovače se opírají mechanismy plánování procesoru(ů)
Úvod, Technické vybavení 52A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Struktura standardního PC
Úvod, Technické vybavení 53A3B33OSD (J. Lažanský)verze: Jaro 2014
Dotazy
top related