PB001: Uvod do informačních technologií
Luděk Matýska
Fakulta informatiky Masarykovy univerzity
podzim 2013
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNI
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
1 / 37
Q Programové vybavení
Q Číselné soustavy
Q| Operační systémy
Luděk Matýska  (Fl MU) PB001: Úvod do informačních technologií I podzim 2013        2 / 37
Nadstavba technických prostředků Vrstvy operačního systému: •   Technické vybavení
Správa paměti
Správa procesu
Správa periferií (1/0)
Správa souborů dat
Uživatelský prostor (nepřesné)
Programové vybavení
• Operační systém
• UNIX, Linux, OS/370, MS Windows, .. .
• Programovací jazyky
• C, Pascal, Ada, Occam, ML, Prolog, perl, python, Java,
• Podpůrné nástroje
• debuggery, profilery, . ..
• Aplikační programy
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
4/37
Rozlišujeme
• Styl
• Míru abstrakce
• „Dialekt"
• Imperativní/Procedurální: C, Fortran
• Objektově orientované: Java, C++
• Deklarativní/Funkcionální: ML, Lisp, MIRANDA
• Deklarativní/Logické: Prolog, GHC
• S jediným přiřazením: SISAL
• Produkční systémy: 0PS5
• Sémantické sítě: NETL
• Neuronové sítě: SAIC ANSpec
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
6/37
fac  := 1;
if n > O then
for i:=l to n do fac := i*fac;
fac(O)      := 1; fac(n>0)  := n*fac(n-l);
fac(0,1)•
fac(N,Fl*N)   :- fac(N-l.Fl).
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
7/37
• Strojový jazyk: přímo kódy jednotlivých instrukcí
• Assembler: jména instrukcí, operandy, pojmenované cílové adresy skoků
• Vyšší jazyky: obecné konstrukty, tvoří „kontinuum"
• Agregované datové typy
• Cykly namísto skoků
• Procedury a funkce
• Procesy a vlákna
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
8/37
• Překladače
• Zdrojový kód-mezijazyk-strojový jazyk
• Překlad a sestavení
atyska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních techn
• Překladače
• Zdrojový kód-mezijazyk-strojový jazyk
• Překlad a sestavení
• Interprety
• Abstraktní počítač
• Vhodné pro složité operace (např. práce s texty, s maticemi a algebraickými objekty)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
9/37
• Překladače
• Zdrojový kód-mezijazyk-strojový jazyk
• Překlad a sestavení
• Interprety
• Abstraktní počítač
• Vhodné pro složité operace (např. práce s texty, s maticemi a algebraickými objekty)
• Just-in-time překladače (nejen Java)
• Známy již od osmdesátých let (řešil se tak nedostatek paměti)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
9/37
Programové vybavení
• Souvislost mezi architekturou a jazyky
• von Neumannova architektura a imperativní jazyky
• objektová architektura a objektově orientované jazyky
• redukční architektura a funkcionální programování
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
10 / 37
Datově orientovaný (nejpoužívanější)
Objektový
Funkcionální
Logický
Programové vybavení
Dávají počítačům smysl
• Vědecko-technické výpočty (vojenství: atomová bomba)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
12 / 37
Programové vybavení
Dávají počítačům smysl
• Vědecko-technické výpočty (vojenství: atomová bomba)
• Zpracování informací (Hollerith/IBM: census USA)
Luděk Matýska  (Fl MU) PB001: Úvod do informačních technologií I podzim 2013        12 / 37
Programové vybavení
Dávají počítačům smysl
• Vědecko-technické výpočty (vojenství: atomová bomba)
• Zpracování informací (Hollerith/IBM: census USA)
• Zábava (počítačové hry, video-on-demand)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
12 / 37
Programové vybavení
Dávají počítačům smysl
• Vědecko-technické výpočty (vojenství: atomová bomba)
• Zpracování informací (Hollerith/IBM: census USA)
• Zábava (počítačové hry, video-on-demand)
• Řízení (management strojů i lidí, real-time systémy)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
12 / 37
• Definovány základem: desítková, dvojková, osmičková, šestnáctková
• Volně mezi sebou převoditelné (celá čísla bez ztráty přesnosti)
• Celá čísla a zlomky
• Reálná čísla
• Konečná reprezentace
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
13 / 37
• Definovány základem: desítková, dvojková, osmičková, šestnáctková
• Volně mezi sebou převoditelné (celá čísla bez ztráty přesnosti)
• Celá čísla a zlomky
• Reálná čísla
• Konečná reprezentace
• První počítače v desítkové soustavě
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
13 / 37
• Základ číslo dvě:
• pouze dvě číslice/dva stavy
• vhodná pro reprezentaci v elektrických systémech
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
14 / 37
ocitá
i
• Konečná reprezentace: interval hodnot
• Pro reálná čísla:
• Rozlišitelnost (nejmenší zobrazitelné číslo): X + e>XaX + e/2 = X
• Přesnost (rozsah)
• Zobrazení: mantisa m a exponent e 0<m<lAx = m.2e
• Záporná čísla:
• Přímý kód
• Inverzní kód
• Dvojkový doplňkový kód
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
15 / 37
Přímý kód:
• Přidáme znaménko
• Dvě nuly: +0 a -0 (10 ... 00)
• Rozsah: (-MAX, -0) a (+0, +MAX)
Inverzní kód:
• Přidáme znaménko
• Dvě nuly: +0 a -0 (11... 11)
• Rozsah: (-MAX, -0 a (+0, +MAX)
Luděk Matýska  (Fl MU) PB001: Uvod do informačních techn
• Dvojkový doplňkový kód:
• Inverze bitu a přičtení jedničky
• Pouze jedna nula (11... 11 je —1)
• Nesymetrický rozsah: (-MAX - 1, -1) a (+0, +MAX)
• Skutečně používán v počítačích
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
17 / 37
• Podle počtu bitů:
• Byte: 8 bitů, tj. (0, 255) nebo (-128,127)
• Půl slovo, 2 byte: 16 bitů, tj. (0,65535) nebo (-32768,32767)
• Slovo, 4 byte: 32 bitů, tj. přibližně (-2.109, 2.109)
• Dvojslovo (nebo dlouhé slovo), 8 byte: 64 bitů, tj. přibližně <-9.1018,9.1018)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
18 / 37
• Formát dle IEE 754
• Součásti:
• Znaménko
• Mantisa (přímý kód, normalizace, m bitů) o Exponent (v kódu posunuté nuly, n bitů)
Luděk Matýska  (Fl MU) PB001: Uvod do informačních techn
• Normalizace mantisy (exponent má n bitů):
• Nejvyšší bit vždy jedna: l.aaaaaa; 1 nezapisujeme
• Nejmenší kladné číslo: 1.0 X 2~2"   +1(2~127 pro n = 8)
• Největší číslo: 1.0 X 22"_1(2128)
• Exponent (n bitů, dvojková soustava)
o Přičteme        - 1 (=127 pro n = 8), abychom získali správnou hodnotu pro uložení
• 000000000 je -127
• 111111111 je 128
• Zvláštní a nenormalizovaná čísla
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
20 / 37
• Rozsah zobrazení: (Největší záporné, Největší kladné)
• Přesnost zobrazení: počet bitů mantisy+1
• Rozlišitelnost: nejmenší nenulové číslo
• Normalizované vs. nenormalizované (2mkrát menší, m počet bitů mantisy)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
21 / 37
• Osmičková
• 0011011011112 = 15578 = 879i0
• Šestnáctková
• 0011 0110 11112 = 36Fie = 879i0
• Používány především pro „hutný" zápis binárních čísel
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
22 / 37
Operační systémy
• Bootstrap loader
• Spooling
• Nezávislé zavádění programu a jeho vykonávání
• Vyžaduje DMA (Direct Memory Access)
• Zavedlo multiprogramování
• Stále zpracování dávek (batch processing)
• Timesharing
o Virtualizace počítače/CPU
• Zpracování interaktivních úloh
• Souvisí se zavedení disků (Direct Access Storage Device, DASD od IBM, 60tá léta)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
23 / 37
Operační systémy
Zkrásněnř.
• Zjednodušení práce s počítačem
• Práce s pamětí
• Práce se soubory
• Přístup k periferiím
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních techn
Operační systémy
Sdílení:
• Zajistit sdílení vzácných zdrojů
• Musí zajistit:
• Aby to vůbec fungovalo
• Aby to fungovalo účinně (využití, propustnost, rychlost odezvy)
• Aby to fungovalo správně
• Omezení následků chyb (avšak pozor na chyby v samotném operačním systému)
• Oprávnění k přístupu (autentizace a autorizace)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
25 / 37
Operační systémy
• Periferie výrazně pomalejší než procesor
• Příklad
• 1GHz Pentium IV: 1.109 operací za sekundu
• Běžný disk: 10 ms pro přečtení 1 byte
• Poměr 1 : 10 000 000
• Stejné zpomalení člověka: 1 úhoz na klávesnici cca 20 dní.
• Možné řešení: prokládání l/O a výpočtu
• Spusť diskovou operaci
Prováděj instrukce nad jinými daty (alespoň 1 M instrukcí) Počkej na dokončení
• Příliš těžkopádné a složité
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
26 / 37
Operační systémy
Proces 1 {
Spusť diskovou operaci Počkej na dokončeni Zpracuj ziskaná data
}
Proces 2 {
Nějaká jiná aplikace
}
• Přehlednější
• OS musí „přepínat" mezi procesy (priorita)
Luděk Matýska  (Fl MU) PB001: Uvod do informačních techn
Operační systémy
• Většina paměti nevyužita
• Zpracování cyklu (zbytek programu)
• Zpracování konkrétních dat (ostatní neaktivní)
• Cekání na l/O
• Virtualizace paměti
• Data a programy na disku
• Do paměti na žádost
• Umožňuje
• Každý program má „celou" paměť
• Program může adresovat více jak rozsah fyzické paměti
• Ochrana paměti
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
28 / 37
Operační systémy
• Procesy a jejich správa
• Paměť a její správa
• Periferie a jejich správa
• Systém souborů
• Ochrana a bezpečnost
Luděk Matýska  (Fl MU) PB001: Úvod do informačních technologií I podzim 2013        29 / 37
Operační systémy
• Proces je abstrakce průchodu programem
• Sekvenční model: program — 1 proces
• Paralelní model: program > 1 proces
• Proces má interní stav, charakterizovaný
• programovým čitačem (program counter)
• zásobníkem (volání funkcí a procedur)
• vlastní pamětí pro data
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních techn
Operační systémy
• Klasické (heavy-weight) procesy (např. UNIX)
• Všechna data privátní
• Sdílen pouze program (read-only)
• Lehké (light-weight) procesy či Vlákna (threads)
• Minimum vlastní paměti
• Většina dat sdílena
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
31 / 37
Operační systémy
• Vytvoření procesu
• f ork() a jeho varianty
• Přesná kopie původního procesu
• Rodič a potomek
• První proces v OS vytvářen jinak (init v Unixu)
• Stavy
• Start/vytvoře ní, připraven (ready), běží (running), je blokován (čeká), skončil
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
32 / 37
Operační systémy
• Race condition: soupeření v čase
• Proces P {
Load RegistrA, X
Load RegistrB, Y
Add RegistrA, RegistrB
Store RegistrA, X     # X+=Y
}
• Dvě instance procesu P, používají stejná X a Y
• Nedefinovatelné výsledky
• Je-li na začátku X=Y=1, pak na konci může být X—2 nebo X=3
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
33 / 37
Operační systémy
• Kritická sekce
• Semafory: celočíselné proměnné (čitače)
• Monitory: vyšší konstrukty programovacího jazyka
Je možné semafor implementovat pomocí monitoru a naopak
• Smrtelné objetí (deadlock)
• Odstranění sdílených zdrojů: zasílání zpráv
• Synchronizace na úrovni zasílání a přijímání zpráv
• Buffery
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
34 / 37
Operační systémy
• Sdílení (timesharing)
• časové kvantum
• přerušení
• Prioritní
• Statistické
• Real-time
• Plánovač (scheduler)
Luděk Matýska  (Fl MU) PB001: Úvod do informačních technologií I podzim 2013        35 / 37
Operační systémy
• Dvě základní operace:
• alokuj/přiděl paměť (velikost, vrací počáteční adresu)
• dealokuj/uvolni paměť (velikost a počáteční adresa)
• Většinou závislé (lze uvolnit jen přesně totéž, co jsme alokovali dříve)
• Doplňková operace: změň rozsah alokované paměti (reallocate)
• Organizace paměti
• Čištění paměti (garbage collection)
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
36 / 37
Operační systémy
• Virtualizace paměti - nutno uvolnit fyzickou paměť
• Swapping
• Celých procesů
• „Děr" v paměti
• Stránkování
• Segmentace
Luděk Matýska  (Fl MU)
PB001: Úvod do informačních technologií
podzim 2013
37 / 37