Εισαγωγή στους Ηλεκτρονικούς Υπολογιστές

1ο Εξάμηνο Σπουδών, Χειμερινό Εξάμηνο 2012/13

Τμήμα Εφαρμοσμένων Μαθηματικών, Πανεπιστήμιο Κρήτης

Διδάσκων: Χαρμανδάρης Ευάγγελος, email: vagelis@tem.uoc.gr

Ιστοσελίδα Μαθήματος: www.tem.uoc.gr/~vagelis/Courses/ΤEM101/em101.html

Κεφ. II: Hardware, Λειτουργικά Συστήματα

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Hardware: Μέσα Σε Ένα Η/Υ

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Τι είναι ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής, Η/Υ ?

Μέσα Σε Ένα Η/Υ

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Ηλεκτρονικές Λυχνίες

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Μητρική (Motherboard)

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Πρακτική Εξάσκηση

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

• Νόμος Moore: ο αριθμός των transistors ανά τετραγωνικό εκατοστό σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες. Η υπολογιστική ισχύς ενός επεξεργαστή διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες!

Ιστορικά στοιχεία:

• Moore's original statement that transistor counts had doubled every year can be found in his publication "Cramming more components onto integrated circuits", Electronics Magazine 19 April 1965:

«The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year ... Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65,000»

• Ιn 1975, Moore altered his projection to a doubling every two years. Despite popular misconception, he is adamant that he did not predict a doubling "every 18 months". However, an Intel colleague had factored in the increasing performance of transistors to conclude that integrated circuits would double in performance every 18 months.

Νόμος Moore

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Νόμος Moore

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Ταξινόμηση Flynn (1966)

Ταξινόμηση των υπολογιστών με κριτήρια τον αριθμό μονάδων εντολών και τον αριθμό δεδομένων εισαγωγής.

• SISD: Single Instruction – Single Data (Ενιαίες Εντολές – Ενιαία Δεδομένα).

• SIMD: Single Instruction – Multiple Data (Ενιαίες Εντολές – Πολλαπλά Δεδομένα).

• MISD: Multiple Instruction – Single Data (Πολλαπλές Εντολές – Ενιαία Δεδομένα).

• MIMD: Multiple Instruction – Multiple Data (Πολλαπλές Εντολές – Πολλαπλά Δεδομένα).

Προσοχή: Η ταξινόμηση Flynn μπορεί να αναφέρεται τόσο στο hardware όσο και στο software. Εδώ εστιάζουμε στο hardware.

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

SISD: Ο Σειριακός Υπολογιστής

Αρχιτεκτονική von Neumann:

• Ο (μοναδικός) υπολογιστής εκτελεί σειριακά (μια-μια) τις εντολές.

• Τόσο τα δεδομένα όσο και οι εντολές ¨φορτώνονται¨ στην μνήμη.

Βελτίωση της Υπολογιστικής Ισχύος με:• Αύξηση της ταχύτητας του υπολογιστή ή • Βελτίωση του χρόνου πρόσβασης στη μνήμη.

Συμφόρηση δεδομένων (bottleneck): Η ταχύτητα εκτέλεσης του κώδικα εξαρτάται από τον ρυθμό μεταφοράς των δεδομένων από την μνήμη στον επεξεργαστή.

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Ιεραρχική Αρχιτεκτονική Μνήμης

• Διάφορα «επίπεδα» μνήμης: δευτερογενές αποθήκευση

(secondary storage), κυρίως μνήμη (main memory),

εσωτερική μνήμη (internal memory).

Ανάλογα με την διαχείριση της κυρίως μνήμης υπάρχουν δύο τύποι συστημάτων:

• Συστήματα μοιρασμένης-κοινής μνήμης (Shared Memory Machines).

• Συστήματα κατανεμημένης μνήμης (Distributed Memory Machines).

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Ιεραρχική Αρχιτεκτονική ΜνήμηςΣτόχος:

• H βελτίωση της πρόσβασης της μνήμης: Χρήση ιεραρχικής μνήμης

• Hierarchical Memory: Hard Disk, RAM, Cache (Level 1 and Level 2), Registers)

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Εφαρμογές Υπολογιστικών Μεθόδων

Υπάρχει μεγάλη ανάγκη προσέγγισης δύσκολων και περίπλοκων προβλημάτων.

• Περίπλοκα προβλήματα μεγάλης κλίμακας - Προσομοιώσεις (Simulations):-- Κβαντική Χημεία, Στατιστική Φυσική-- Σχεδιασμός Υλικών-- Βιολογικών Συστημάτων (Χαρτογράφηση DNA, Παραγωγή Φαρμάκων)-- Πρόβλεψη Κλίματος-- Μελέτη Γεωλογικών Φαινομένων-- Αστροφυσική και Κοσμολογία-- Αεροναυπηγική--- ..... ΚΑΙ ΠΟΛΛΑ ΑΛΛΑ

• Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται περισσότερη υπολογιστική ισχύς.

• Νόμος Moore – Αγγίζοντας τα φυσικά όρια: Ο αριθμός των transistors ανά τετραγωνικό εκατοστό σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα δεν μπορεί να αυξάνεται επ’άπειρο.

• Μια λύση είναι οι παράλληλοι υπολογισμοί: ταυτόχρονη εκτέλεση προγραμμάτων σε πολλούς επεξεργαστές.

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Τι είναι Λειτουργικό Σύστημα

Ένα σύγχρονο υπολογιστικό σύστημα αποτελείται από:

Έναν ή περισσότερους επεξεργαστές

Κύρια Μνήμη

Δίσκους

Εκτυπωτές

Διάφορες μονάδες εισόδου/εξόδου

Διάφορες αποθηκευτικές μονάδες

Η διαχείριση όλων αυτών των μερών απαιτεί ένα επίπεδο λογισμικού –το Λειτουργικό Σύστημα

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Λειτουργικό Σύστημα

Λειτουργικό Σύστημα (ΛΣ) είναι το λογισμικό του υπολογιστή που είναιυπεύθυνο για την διαχείριση και τον συντονισμό των εργασιών καθώς και γιατην κατανομή των διαθέσιμων πόρων.

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Λειτουργικό Σύστημα - Διαχείριση Πόρων

Το λειτουργικό σύστημα (ΛΣ) διαχειρίζεται συνολικά τους πόρους του υπολογιστικού συστήματος.

Το ΛΣ επιτρέπει την συντρέχουσα (concurrent) ή ταυτόχρονη εκτέλεση πολλών προγραμμάτων.

Διαχειρίζεται και προστατεύει τη CPU, τη μνήμη, τις συσκευές Ε/Ε και άλλους πόρους.

Επιτρέπει πολυπλεξία (διαμοιρασμό) πόρων με δύο τρόπους: Χρονική πολυπλεξία (χρονομερισμός) Χωρική πολυπλεξία (τοποθέτηση σε μνήμη, δίσκο)

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Λειτουργικό Σύστημα - Διαχείριση Πόρων

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Επεξεργασία κατά δεσμίδες (batch processing)

Εκτέλεση εργασιών (job, task) ξεχωριστά μία-μία με τη σειρά

Ανάπτυξη λειτουργικών συστημάτων για έλεγχο και διαχείριση της

εκτέλεσης των διεργασιών

Πολυπρογραμματισμός (multiprogramming)

Πολλαπλές “ταυτόχρονες” εργασίες (“simultaneous” jobs)

Χρονικός καταμερισμός (timesharing) της χρήσης του Η/Υ

Μη προεκτοπιστικός χρονοπρογραμματισμός (non-preemptive scheduling)

Προεκτοπιστικός χρονοπρογραμματισμός (preemptive scheduling)

Λειτουργικά Συστήματα (Operating Systems) - Γενικά

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Σύγχρονα Πολυεπίπεδα Συστήματα

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Σύγχρονα Πολυεπίπεδα Συστήματα

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

(1945–1955) Λυχνίες Κενού

(1955–1965) Transistors και Συστήματα Δέσμης

(1965–1980) ICs και Πολυπρογραμματισμός

(1980–1995) Προσωπικοί Υπολογιστές

(1995–2010) Δίκτυα, Διαδίκτυο

(2010–....) Δικτυωμένοι Υπολογιστές Ειδικού Σκοπού

Ιστορικά Στοιχεία

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Ιστορικά Στοιχεία

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Διάφορα Λειτουργικά Συστήματα

UΝΙΧ που περιλαμβάνει όλα τα UNIX BSD (FreeBSD, OpenBSD,

NetBSD), το Solaris (και το OpenSolaris), το GNU/Linux και το Mac OS X.

MAC OS

Microsoft Windows

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Σύγχρονα Λειτουργικά Συστήματα

Πληθώρα διαφορετικών συστημάτων

Eεφαρμογές πέρα των κλασσικών Η/Υ:

Έξυπνα Κινητά (smartphones), tables, …

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Linux

Το Linux είναι ένα λειτουργικό σύστημα τύπου UNIX.

Βασίζεται στο πρότυπο ελεύθερης και ανοιχτής πρόσβασης.

Σήμερα τα περισσότερα υπολογιστικά συστήματα που

χρησιμοποιούνται για υπολογισμούς πολύπλοκων συστημάτων

(high performance computing) χρησιμοποιούν Linux.

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Linux: Ιστορικά Στοιχεία

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Linux: Εισαγωγή

Υπάρχουν πάρα πολλά βιβλία, σημειώσεις, σελίδες στον ιστό

όπου μπορεί κανείς να βρει πληροφορίες για το Linux.

Βασίζεται στο πρότυπο ελεύθερης και ανοιχτής πρόσβασης.

Σήμερα τα περισσότερα υπολογιστικά συστήματα που

χρησιμοποιούνται για υπολογισμούς πολύπλοκων συστημάτων

(high performance computing) χρησιμοποιούν Linux.

Περισσότερα στο Εργαστήριο …

Εισαγωγή στους Η/Υ 2012/13, Κεφάλαιο 2: Λειτουργικά Συστήματα

Modern Operating Systems, Tanenbaum, Structured Computer Organization, http://www.cs.vu.nl/~ast/books/mos2/

Εισαγωγή στο λειτουργικό σύστημα UNIX/LINUX: www.ee.surrey.ac.uk/Teaching/Unix/

«Η τέχνη και η επιστήμη της C», Eric S. Roberts, Εκδόσεις Κλειδάριθμος.

Βιβλιογραφία