PB002 – Základy informačních technologií
Operační systémy
22. září 2014
PB002 – Základy informačních technologií
Struktura přednašky
1 Číselné soustavy
2 Reprezentace čísel
3 Operační systémy – historie
4 OS - základní složky
5 Procesy
PB002 – Základy informačních technologií
Číselné soustavy
1 Dle základu: dvojková, osmičková, šestnáctková, desítková
2 Volně mezi sebou převoditelné (celá čísla bez ztráty přesnosti)
3 Celá čísla a zlomky
4 Reálná čísla
5 První počítač v desítkové soustavě
6 Konečné reprezentace
PB002 – Základy informačních technologií
Dvojková soustava
1 Základem je číslo dvě
1 pouze dvě číslice – dva stavy
2 vhodná pro reprezentaci v číslicových sytémech
PB002 – Základy informačních technologií
Dvojková soustava v počítači
1 Pro reálná čísla
1 Rozlišitelnost (nejmenší zobrazitelné číslo): X + > X
a X + /2 = X
2 Přesnost (rozsah)
3 Zobrazení: mantisa m a exponent e
0 ≤ m ≤ 1 ∧ x = m.2e
2 Záporná čísla
1 Přímý kód
2 Inverzní kód (binární negace)
3 Dvojkový doplňkový kód (binární negace + 1))
PB002 – Základy informačních technologií
Záporná čísla – zobrazení
1 Přímý kód
1 přidáno znaménko - znaménkový bit
2 Dvě nuly: +0 a −0 (10 . . . 00)
3 Rozsah: −MAX, −0 a +0, +MAX
2 Inverzní kód:
1 Přidáme znaménko
2 Dvě nuly: +0 a −0 (11 . . . 11)
3 Rozsah: −MAX, −0 a +0, +MAX
PB002 – Základy informačních technologií
Záporná čísla – zobrazení
1 Dvojkový doplňkový kód
1 Inverze bitu a přičtení jedničky
2 Pouze jedna nula (11 . . . 11 je −1)
3 Nesymetrický rozsah: −MAX − 1, −1 a +0, +MAX
4 skutečně používán v počítačích
PB002 – Základy informačních technologií
Rozsahy čísel
1 Podle počtu bitů
1 Byte: 8 bitů, tj. 0, 255 nebo −128, 127
2 Půl slovo, 2 byte: 16 bitů, tj. 0, 65535 nebo −32768, 32767
3 Slovo, 4 byte: 32 bitů, tj. přibližně −2.109
, 2.109
4 Dvojslovo (nebo dlouhé slovo), 8 byte: 64 bitů, tj. přibližně
−9.1018
, 9.1018
PB002 – Základy informačních technologií
Racionální čísla
1 Formát dle IEE 754
2 Součásti
1 Znaménko
2 Mantisa (přímý kód, normalizace)
3 Exponent (v kódu posunuté nuly)
PB002 – Základy informačních technologií
Racionální čísla
1 Normalizace mantisy:
1 Nejvyšší bit vždy jedna: 1.aaaaaa; 1 nezapisujeme
2 Nejmenší kladné číslo: 1.0 × 2−2n−1
+1
(2−127
pro n = 8)
3 Největší číslo: 1.0 × 22n−1
(2128
)
2 Exponent (n bitů, dvojková soustava)
1 Přičteme 2n−1
− 1 (=127 pro n = 8), abychom získali
správnou hodnotu pro uložení
2 000000000 je −127
3 111111111 je 128
3 Zvláštní a nenormalizovaná čísla
PB002 – Základy informačních technologií
Racionální čísla II
1 Rozsah zobrazení: ¡největší záporné, největší kladné¿
2 Přesnost zobrazení: počet bitů mantisy + 1
3 Rozlišitelnost: nejmenší nenulové číslo
1 Normalizované vs. nenormalizované (2m
krát menší, m počet
bitů mantisy)
PB002 – Základy informačních technologií
Jiné soustavy
1 Osmičková
1 001 101 101 1112 = 15578 = 87910
2 Šestnáctková
1 0011 0110 11112 = 36F16 = 87910
3 Používány především pro hutný zápis binárních čísel
PB002 – Základy informačních technologií
Operační systémy – trocha historie
1 Bootstrap loader
2 Spooling
1 Nezávislé zavádění programu a jeho vykonávání
2 Vyžaduje DMA (Direct Memory Access)
3 Zavedlo multiprogramování
4 Stále zpracování dávek (batch processing)
3 Timesharing
1 Virtualizace počítače/CPU
2 Zpracování interaktivních úloh
3 Souvisí se zavedení disků (Direct Access Storage Device,
DASD od IBM, 60tá léta)
PB002 – Základy informačních technologií
Operační systémy: účel
1 Zkrásnění:
1 Zjednodušení práce s počítačem
1 Práce s pamětí
2 Práce se soubory
3 Přístup k periferiím
PB002 – Základy informačních technologií
Operační systémy: účel
Sdílení:
1 Zajistit sdílení vzácných zdrojů
2 Musí zajistit:
1 Aby to vůbec fungovalo
2 Aby to fungovalo účinně (využití, propustnost, rychlost odezvy)
3 Aby to fungovalo správně
1 Omezení následků chyb (avšak pozor na chyby v samotném
operačním systému)
2 Oprávnění k přístupu (autentizace a autorizace)
PB002 – Základy informačních technologií
OS: problém časování
1 Periferie výrazně pomalejší než procesor
2 Příklad
1 1 GHz Pentium IV: 1.109
operací za sekundu
2 Běžný disk: 10 ms pro přečtení 1 byte
3 Poměr 1 : 10 000 000
4 Stejné zpomalení člověka: 1 úhoz na klávesnici cca 20 dní.
3 Možné řešení: prokládání I/O a výpočtu
1 Spusť diskovou operaci
Prováděj instrukce nad jinými daty
(alespoň 1~milion instrukcí)
Počkej na dokončení
2 Příliš těžkopádné a složité
PB002 – Základy informačních technologií
OS časování: jiné řešení
Proces 1 {
Spusť diskovou operaci
Počkej na dokončení
Zpracuj získaná data
}
Proces 2 {
Nějaká jiná aplikace
}
1 Přehlednější
2 OS musí „přepínat mezi procesy (priorita)
PB002 – Základy informačních technologií
OS: paměť
1 Většina paměti nevyužita
1 Zpracování cyklu (zbytek programu)
2 Zpracování konkrétních dat (ostatní neaktivní)
3 Čekání na I/O
2 Virtualizace paměti
1 Data a programy na disku
2 Do paměti na žádost
3 Umožňuje
1 Každý program má „celou paměť
2 Program může adresovat více jak rozsah fyzické paměti
3 Ochrana paměti
PB002 – Základy informačních technologií
OS: základní složky
1 Procesy a jejich správa
2 Paměť a její správa
3 Periferie a jejich správa
4 Systém souborů
5 Ochrana a bezpečnost
PB002 – Základy informačních technologií
Procesy
1 Proces je abstrakce průchodu programem
1 Sekvenční model: program = 1 proces
2 Paralelní model: program > 1 proces
2 Proces má interní stav, charakterizovaný
1 programovým čitačem (program counter)
2 zásobníkem (volání funkcí a procedur)
3 vlastní pamětí pro data
PB002 – Základy informačních technologií
Typy procesů
1 Klasické (heawy-weight) procesy (např. UNIX)
1 Všechna data privátní
2 Sdílen pouze program (read-only)
2 Lehké (light-weight) procesy či Vlákna (threads)
1 Minimum vlastní paměti
2 Většina dat sdílena
PB002 – Základy informačních technologií
Procesy detailněji
1 Vytvoření procesu
1 fork() a jeho varianty
2 Přesná kopie původního procesu
3 Rodič a potomek
4 První proces v OS vytvářen jinak (init v Unixu)
2 Stavy
1 Start/vytvoření, připraven (ready), běží (running), je blokován
(čeká), skončil
PB002 – Základy informačních technologií