Architektura počítače Základníbloky Prováděníinstrukcíaldebaran.feld.cvut.cz/vyuka/uvod_do_os/38UOS-2010-01z... · 2010. 9. 29. · Y38ÚOS Úvod do opera čních systémů01

Y38ÚOS Úvod do opera čních systém ů 01

České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická

ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ

Ver.1.00

Architektura počítače

Základní bloky

Provádění instrukcí

2010

Y38ÚOS Úvod do opera čních systém ů 01 - Architektura po čítače 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• 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 základ ě hodnocení ze cvi čení 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)


Studijní materiály a informace o předmětu

• http://measure.feld.cvut.cz/vyuka/predmety/bakalarske/navody

• http://measure.feld.cvut.cz/node/2700


„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


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)


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 – dávkovézpracování (Batch processing)


Druhá generace (1955-65)

• HW – Tranzistory, OS – Batch Systems

• Dávkové zpracování (Batch Processing)

IBM Computers(Mainframes)

Slow SlowFast, Large Main Memory

[1] Tanenbaum, A: Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, 2008

[1]


Výpočetní dávka na děrných štítcích

• Dávkové zpracování (Batch Processing), Job

JAN NOVAKJAN NOVAKJAN NOVAKJAN NOVAK

První štítek dávky

Pokyn k natažení překladače

Zdrojový kód programu

Data programu

Koncový štítek dávky


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


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 čekéna 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 pořizovánídat. 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.


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 EquipmentCorporation) 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)


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)


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.


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


Komponenty počítačového systému


Komponenty operačního systému


Struktura počítače

Kontrolní seznam 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)

Check list No.1

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


Strukrura počítače

Hlavní komponentypočítače

Procesor

Výpočetníčást

Mezipaměťvýsledků

ŘízeníŘadič

(Controller)

Paměťprogramu

a dat

Vstupnía výstupní

zařízení

Komunikace s okolním

světem


Propojení bloků počítače – Bus (společná sběrnice)


Paměti počítače

CPU

DataMemory

I/OChannels

Input

Output

CommonBus

Clock

BUS MASTER

XTAL

ProgramMemory

BIOS

OperatingSystem

ApplicationProgram

MAINMEMORY

PROGRAMINSTRUCTIONS

PROGRAMVARIABLES

&PROGRAM

STACKSEQUENTIAL PROGRAM PROCESSING(ONE INSTRUCTION AT A TIME)

COMMON DATA PATH (BIDIRECTIONAL)

CPU - SYNCHRONOUS FINITE STATE MACHINE (FSA, FSM)

EXTERNAL MEMORY

Corsair

CD/DVD

HDD

FLASH


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.


Procesor a operační paměť - Výkon vs. roky

Výkon

100.000 x

40 let


Paměťová hierarchie

Ryc

hlo

st p

říst

up

u

Velikost

Magnetická páska

Magnetický disk (HDD)CD-RW

DVD-RW

Operační paměť (DRAM)

Cache

Registry na CPUC

en

a


Instrukční cyklus

Kontrolní seznam 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

Check list No.2

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


Vykonání instrukce


Rozdělení společné sběrnice


Kde číst následující instrukci

1) Další instrukci čti vždy z adresy uložené v PC

2) Adresa v PC se mění automaticky, po čtení instrukce ukazuje na dalšíinstrukci

3) Adresa v PC se dá změnit vykonáním instrukce skoku, cílováadresa je součástí instrukce

Čítač instrukcí


Větvení programu (Jump, Branch)

Realizace větvení programu


Dekompozice problému na dílčí části


Zde příklad v Javě


Požadavky pro volání procedury

Návratová adresa


Princip volání procedury (Procedure Call)

Zásobník (návratových

adres)

Ukazatel zásobníku


Synchronní akce – volání procedury

Kontrolní seznam 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

Check list No.3

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


Synchronní akce – volání procedury - pokrač.

Kontrolní seznam 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

Check list No.4

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


Prostředky pro organizaci volání procedury


Sdílené prostředky (sdílí je procedury)


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


Před čtením “CALL“

1

234

567


Po čtení “CALL“

1

234

567

1


Během provádění “CALL“

1

234

567

2


Po provedení “CALL“

1

234

567

3


Před čtením “RETURN“

1

234

567

4


Po čtení “RETURN“

1

234

567

5


Po čtení “RETURN“

1

234

567

6

7


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


Asynchronní akce – hardwareové (hw) volání procedury

Řadič přerušení

Žádosti o přerušení


Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR)

Kontrolní seznam 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

Check list No.5

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


Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR).

Kontrolní seznam 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

Check list No.6

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



Kontrolní seznam 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)

Check list No.7

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)




Prostředky pro organizaci hw volání procedury (interrupt)


Sdílené prostředky (sdílí je ISR a přerušený program)


Žádost o obsluhu přerušení (hw volání procedury)


Žádost o obsluhu aktivní - 1


Dokončení aktivní instrukce - 2


Uložení (Push) návratové adresy do zásobníku (Stack) - 3


Vyzvednutí adresy obslužného programu (ISR) - 4


Spuštění obslužné procedury přerušení (ISR) - 5


Uložení kontextu do zásobníku - 6


Provedení těla obslužné procedury (ISR) - 7


Obnovení kontextu (ze zásobníku) - 8


Vyzvednutí návratové adresy (ze zásobníku) - 9


Obnovení běhu přerušeného programu - 10


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


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


České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická

Architektura počítačeZákladní bloky

Provádění instrukcí

KONEC

ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ

Documents

Architektura počítače Základníbloky Prováděníinstrukcíaldebaran.feld.cvut.cz/vyuka/uvod_do_os/38UOS-2010-01z... · 2010. 9. 29. · Y38ÚOS Úvod do opera čních systémů01