Architektura počítače Základní bloky Provádění instrukcí

Transkript

1 ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ Architektura počítače Základní bloky Provádění instrukcí České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 Ver

2 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 bodů A (výborně) bodů B (velmi dobře) bodů C (dobře) bodů D (uspokojivě) bodů E (dostatečně) < 50 bodů F (nedostatečně) Klasifikace je možná na základě hodnocení ze cvičení při dosažení 30 bodů!!! bodů A (výborně) + absolvování krátké ústní zkoušky bodů B (velmi dobře) + absolvování krátké ústní zkoušky bodů C (dobře) bodů D (uspokojivě) bodů E (dostatečně) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 2

3 Studijní materiály a informace o předmětu Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 3

4 Nultá generace Mechanické počítače (kalkulátory) 1642 Blaise Pascal kalkulátor po výběr daní (+, -) 1672 Gotfried von Leibniz mechanický počítač (+, -, *, /) ( ) 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 4

5 První generace ( ) 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) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 5

6 Druhá generace ( ) 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) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 6

7 Druhá generace ( ) 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 7

8 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 8

9 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 9

10 Třetí generace 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. Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 10

11 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) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 11

12 Čtvrtá generace 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 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 Apple Macintosh OS a GUI (Graphical User Interface) Microsoft Windows jen grafická nadstavba nad MS-DOS 1985 Windows 95 (16 bit system) 1988 Windows 98 (16 bit system) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 12

13 Čtvrtá generace Windows NT 4.0 (New Technology)(32 bit) již bez MS-DOS Windows NT přejmenovány na Windows 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. Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 13

14 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 14

15 Komponenty počítačového systému Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 15

16 Komponenty operačního systému Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 16

17 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 17

18 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) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 18

19 Propojení bloků počítače Bus (společná sběrnice) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 19

20 Paměti počítače XTAL Clock CPU CPU - SYNCHRONOUS FINITE STATE MACHINE (FSA, FSM) BUS MASTER SEQUENTIAL PROGRAM PROCESSING (ONE INSTRUCTION AT A TIME) Common Bus Program Memory BIOS Operating System Application Program Data Memory MAIN MEMORY PROGRAM INSTRUCTIONS PROGRAM VARIABLES & PROGRAM STACK CD/DVD COMMON DATA PATH (BIDIRECTIONAL) I/O Channels EXTERNAL MEMORY Output Input HDD FLASH Corsair Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 20

21 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. Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 21

22 Procesor a operační paměť - Výkon vs. roky Výkon x 40 let Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 22

23 Paměťová hierarchie Registry na CPU Cache Cena Rychlost přístupu Operační paměť (DRAM) Magnetický disk (HDD) CD-RW DVD-RW Magnetická páska Velikost Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 23

24 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 24

25 Vykonání instrukce Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 25

26 Rozdělení společné sběrnice Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 26

27 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 27

28 Větvení programu (Jump, Branch) Realizace větvení programu Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 28

29 Dekompozice problému na dílčí části Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 29

30 Zde příklad v Javě Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 30

31 Požadavky pro volání procedury Návratová adresa Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 31

32 Princip volání procedury (Procedure Call) Zásobník (návratových adres) Ukazatel zásobníku Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 32

33 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 33

34 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 34

35 Prostředky pro organizaci volání procedury Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 35

36 Sdílené prostředky (sdílí je procedury) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 36

37 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 37

38 Před čtením CALL Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 38

39 Po čtení CALL Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 39

40 Během provádění CALL Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 40

41 Po provedení CALL Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 41

42 Před čtením RETURN Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 42

43 Po čtení RETURN Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 43

44 Po čtení RETURN Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 44

45 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 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 45

46 Asynchronní akce hardwareové (hw) volání procedury Žádosti o přerušení Řadič přerušení Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 46

47 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 47

48 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 48

49 Asynchronní akce hw volání procedury (ISR) 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) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 49

50 Asynchronní akce hw volání procedury (ISR) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 50

51 Prostředky pro organizaci hw volání procedury (interrupt) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 51

52 Sdílené prostředky (sdílí je ISR a přerušený program) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 52

53 Žádost o obsluhu přerušení (hw volání procedury) Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 53

54 Žádost o obsluhu aktivní - 1 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 54

55 Dokončení aktivní instrukce - 2 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 55

56 Uložení (Push) návratové adresy do zásobníku (Stack) - 3 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 56

57 Vyzvednutí adresy obslužného programu (ISR) - 4 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 57

58 Spuštění obslužné procedury přerušení (ISR) - 5 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 58

59 Uložení kontextu do zásobníku - 6 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 59

60 Provedení těla obslužné procedury (ISR) - 7 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 60

61 Obnovení kontextu (ze zásobníku) - 8 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 61

62 Vyzvednutí návratové adresy (ze zásobníku) - 9 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 62

63 Obnovení běhu přerušeného programu - 10 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 63

64 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) Ulož kontext do zásobníku Proveď tělo ISR (vlastní obsluhu žádosti o přerušení) Obnov původní kontext (vyzvedni ho ze zásobníku) Proveď instrukci Return Ta vyzvedne Návratovou adresu ze zásobníku do čítače instrukcí (PC) Pokračuj v programu na pozadí tj. čti instrukci z adresy uložené v PC Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 64

65 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 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 65

66 ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ Architektura počítače Základní bloky Provádění instrukcí KONEC České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače 66