PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní1
Něco málo o hardwaru
PB153
Operační systémy
a jejich rozhraní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní2
Historie: dávkové systémy
První počítače
obrovské stroje zabírající patra budov
velice drahé
I/O zařízení: děrné štítky, děrná páska, magnetická páska
job: program + data + řídící informace
řídící informace
* návod co má počítač s programem a daty dělat
* typicky kompilace + sestavení (linkování knihoven) + běh programu
+ dump výsledku (příp. také paměti a registrů)
* Vznikají JCL ­ Job Control Language
jeden uživatel: programátor a operátor v jedné osobě
OS
* Neustále v paměti
* Úkolem je pouze předání řízení z jednoho jobu na druhý
využití počítače nebylo efektivní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní3
Historie: dávkové systémy (2)
Později
Počítače se zmenšují (střediskové počítače)
Oddělení role operátora a programátora
Operátoři úlohy (joby) přeskládají do dávek, tak aby
se seskupily úlohy podobného typu
* např. zavede se překladač a ten se využije pro přeložení
hned několika programů za sebou
Přesto stále nebyly drahé počítače efektivně využity
* I/O operace byly a stále jsou řádově pomalejší než procesor
(CPU)
* vždy, když program čeká na vyřízení I/O požadavku je CPU
nevyužit
* řešení: multiprogramování
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní4
Historie: multiprogramování
Multiprogramování zvyšuje využití CPU
přidělování CPU jednotlivým úlohám tak, aby CPU byl využit (téměř)
vždy
V paměti je zároveň několik úloh současně
ne však nutně všechny
plánování úloh (job scheduling) ­ které úlohy umístit do paměti
musíme zajistit ochranu úloh navzájem
CPU je přidělen úloze, jakmile úloha požádá o I/O operaci, je úloha
pozastavena a CPU dostává jiná úloha
pro výběr úlohy, která dostane CPU musíme mít CPU plánovací
algoritmus
jakmile je I/O operace dokončena, je úloha opět přemístěna do fronty
úloh připravených ke spuštění
CPU je vytížen, dokud mám úlohy, které nečekají na dokončení I/O
operací
dokud úloha nepožádá o I/O operaci, tak má CPU k dispozici
Jde tedy ,,pouze" o efektivnost využití CPU
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní5
Historie: obsazení paměti
V paměti vždy jen
jedna úloha
V paměti několik úloh,
běží jen jedna z nich
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní6
Historie: multitasking
Time-sharing neboli multitasking
Logické rozšíření multiprogramování, kdy
úloha (dočasně) ztrácí CPU nejen
požadavkem I/O operace, ale také vypršením
časového limitu
CPU je multiplexován, ve skutečnosti vždy
běží jen jedna úloha, mezi těmito úlohami se
však CPU přepíná, takže uživatelé získají
dojem, že úlohy jsou zpracovávány paralelně
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní7
Historie: multitasking (2)
Multitaskingový systém umožňuje řadě uživatelů
počítačový systém sdílet
Uživatelé mají dojem, že počítačový systém je
vyhrazen jen pro ně
Oproti pouhému multiprogramování snižuje dobu
odezvy (response time) interaktivních procesů
Multitaskingové systémy jsou již značně komplexní
správa a ochrana paměti, virtuální paměť
synchronizace a komunikace procesů
CPU plánovací algoritmy, souborové systémy
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní8
Architektura počítačového
systému
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní9
Základní vlastnosti
počítačového systému
I/O zařízení typicky mají vlastní vyrovnávací
paměť (buffer)
CPU a I/O zařízení mohou pracovat
paralelně
např. řadič disku může ukládat data na disk a
CPU může něco počítat
pokud CPU a I/O zařízení pracují paralelně,
měli by se nějak synchronizovat
* neustálé zjišťování stavu
* interrupt
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní10
Procesor bez přerušení
Neustálý cyklus
loop
získej další instrukci
proveď instrukci
end loop
Pokud chci provést I/O operaci a dozvědět se, že již
byla dokončena, musím se periodicky ptát I/O
zařízení
CPU není v těchto chvílích efektivně využit nebo je
programování extrémně náročné
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní11
Procesor s přerušením
Základní cyklus je obohacen o kontrolu
příznaku přerušení
loop
získej další instrukci
proveď instrukci
je-li nastaven příznak přerušení (a přerušení
je povoleno), ulož adresu právě prováděného
kódu a začni provádět kód obslužné rutiny
endloop
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní12
Přerušení
Přerušení je signál od I/O zařízení, že se stalo něco, co by OS
měl zpracovat
Přerušení přichází asynchronně
OS nemusí aktivně čekat na událost (efektivní využití CPU)
při výskytu události se automaticky volá patřičná obslužná rutina
umístění obslužných rutin pro jednotlivé typy událostí je typicky
dáno tabulkou (v paměti) adres rutin (tzv. vektor přerušení)
Aby nedocházelo ke ,,ztrátě" přerušení, je při zpracování přerušení
další přerušení zakázáno (maskováno)
aby se nepřerušovala rutina obsluhující přerušení
časově náročnější obslužné rutiny však mohou další přerušení
explicitně povolit
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní13
Přerušení (2)
Operační systém je řízený přerušeními
(interrupt driven)
CPU zpracovává uživatelský proces, při příchodu
přerušení je spuštěna obslužná rutina OS
* návratovou adresu ukládá procesor
* hodnoty použitých registrů ukládá ovládací rutina
Přerušení nemusí být generováno jen HW, přerušení
je možné vyvolat i softwarovými prostředky (tzv. ,,trap"
­ jde vlastně o synchronní přerušení)
* chyby ­ dělení nulou
* speciální instrukce (např. INT ­ typicky slouží
k systémovému volání)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní14
Příklad: tabulka přerušení
Intel8086&MS-DOS
Interrupts Services Pointers
INT 00H Division by 0 INT 10H Video services INT 1dH Video parms
INT 01H Single-step INT 11H Equipment list INT 1eH Diskette parms
INT 02H Non-Maskable INT 12H Usable Mem Size INT 1fH Graphics chars
INT 03H Breakpoint INT 13H Disk I/O
INT 04H Overflow INT 14H Serial Port I/O
INT 05H Print Screen INT 15H AT Services INT 41H hard disk 0 parms
INT 06H (reserved) INT 16H Keyboard I/O INT 46H hard disk 1 parms
INT 07H (reserved) INT 17H Printer I/O
INT 08H Timer INT 18H ROM-BASIC INT 43H EGA graphix chars
INT 09H Keyboard INT 19H Bootstrap
INT 0aH-0dH (hw ints) INT 1aH Time I/O INT 4aH user alarm addr
INT 0eH Diskette INT 1bH Keyboard Break INT 50H CMOS timer int
INT 0fH (hdwr int) INT 1cH User timer Int
INT 20H-2fH DOS Interrupts
INT 33H Mouse Support
INT 67H Expanded Memory Fns
Vektor přerušení začíná na adrese 0000:0000, přerušení je celkem 256
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní15
I/O: dva přístupy
Synchronní
proces požádá o I/O operaci, řízení se uživatelskému
procesu vrací až po ukončení I/O operace
výhody: jednoduchost, vyhýbám se souběžnému
zpracování I/O požadavků
nevýhody: možná neefektivnost
Asynchronní
proces požádá o I/O operaci a řízení se procesu vrací
okamžitě
výhody: je možné paralelně pracovat s několika I/O
zařízeními
nevýhody: komplexnější systém, potřebujeme tabulku
stavu I/O zařízení, příkazy pro počkání na dokončení
I/O operace apod.
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní16
Synchronní vs. asynchronní
I/O
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní17
Tabulka stavu I/O zařízení
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní18
DMA, Direct Memory
Access
Způsob jak rychle přenášet data mezi I/O zařízením
a pamětí
CPU nemusí přenášet data po jednom bajtu,
požádá řadič o přenos celého bloku dat
CPU požádá o přenos dat, po skončení přenosu dat
se o tom dozví pomocí přerušení
(tj. 1 přerušení/blok dat ne 1 přerušení/bajt-slovo)
V době přenosu dat soupeří I/O řadič a CPU
o přístup do paměti (oba pracují se ,,stejnou"
pamětí)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní19
Struktura paměti ­ primární
paměť
Primární paměť (též operační paměť, hlavní
paměť)
jediná větší paměť, kterou může CPU přímo
adresovat
typicky energeticky závislá (volatilní)
současná kapacita: stovky MB až desítky GB,
současná rychlost: nanosekundy
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní20
Struktura paměti sekundární
paměť
Sekundární paměť rozšiřuje paměťovou
kapacitu počítačového systému
energeticky nezávislá
vysoká paměťová kapacita (dnes gigabajty až
terabajty)
relativně pomalá doba přístupu (velice
variabilní ­ od mikrosekund až po jednotky
sekund)
v dnešní době je nejběžnější magnetický disk
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní21
Hierarchie paměti
Rychlost 
Kapacita 
Cena 
Energeticky
závislé
Energeticky
nezávislé
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní22
Kešování, cache,
mezipaměť
Použití rychlejší paměti pro uchování posledně použitých dat
z paměti pomalejší
např. cache procesoru vs. hlavní paměť
nebo hlavní paměť vs. disková paměť
pokud jsou data v cachi použijí se tato data, pokud ne, musí se
získat z pomalejší paměti, zároveň se přenesou i data okolní
(princip časové a prostorové lokálnosti)
Velikost cache paměti je omezená
Data se zároveň nacházejí v několika úrovních paměti problém
udržení konzistence
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní23
Ochranné funkce HW
Je-li v paměti několik procesů, nechceme, aby se
procesy mohly navzájem negativně ovlivňovat
přepisování paměti
nespravedlivé získání času CPU
souběžný nekoordinovaný přístup k I/O prostředkům
Proto OS musí tomuto ovlivňování zabránit
často to však nemůže zajistit sám a potřebuje
podporu HW ­ např. při ochraně přístupu do paměti,
přístupu k I/O portům
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní24
Režimy procesoru
Běžný způsob ochrany je dvojí režim činnosti
procesoru
uživatelský režim
privilegovaný režim
Některé instrukce je možné provést jen
v privilegovaném režimu
např. instrukce pro I/O, nastavování některých
registrů (např. některé segmentové registry)
Z privilegovaného režimu do uživatelského režimu
se CPU dostane speciální instrukcí, z uživatelského
režimu do privilegovaného režimu se CPU dostává
při zpracování přerušení
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní25
Ochrana paměti
Minimálně musíme chránit vektor přerušení a rutiny
obsluhy přerušení
jinak by bylo možné získat přístup k privilegovanému
režimu procesoru
Každému procesu vyhradíme jeho paměť, jinou
paměť nemůže proces používat
ochranu zajišťuje CPU na základě registrů/tabulek
nebo principů nastavených OS
např. báze & limit ­ proces má přístup jen k adresám
báze + 0 až báze + limit
přístup k nepovoleným adresám způsobí přerušení to
zpracovává OS a např. ukončí činnost procesu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Báze + limit
Jednoduché na
implementaci
dva registry,
jejichž
nastavování je
privilegovanou
operací
CPU kontroluje,
zda adresy, které
proces používá
spadají do
rozsahu daného
registry
Jak řešit požadavek
procesu o přidělení
dalšího bloku
paměti?
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní27
Ochrana CPU
Jak zaručit, že vládu nad procesorem (tj. jaký kód
bude CPU vykonávat) bude mít OS?
Časovač
časovač generuje přerušení
přerušení obsluhuje OS
* ten rozhodne co dál
* např. odebere jednomu procesu, vybere další připravený
proces a ten spustí (změní kontext)
časovač může generovat přerušení pravidelně nebo
je příchod přerušení programovatelný (privilegovanou
instrukcí)