PB001: Uvod do informačních technologií Luděk Matýska (Eva Hladká) Fakulta informatiky Masarykovy univerzity podzim 2017 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 1/26 sa n preanasky Technické prostředky O Návrh OS Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 Technické prostředky nici Ke prostred ky - za k ;iac im pojmy • Procesor(-řadič)-paměť-periferie: von Neumannova architektura Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 3 / 26 Technické prostředky • Procesor(-řadič)-paměť-periferie: von Neumannova architektura • Harward memory model: zvlášť paměť pro data a zvlášť pro program • Řízené zpracování dat Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Úvod do informačních technologií podzim 2017 3 / 26 Technické prostředky nicke prostředky - základni pojmy • Procesor(-řadič)-paměť-periferie: von Neumannova architektura • Harward memory model: zvlášť paměť pro data a zvlášť pro program ■v • Řízené zpracování dat • Jiné modely architektury: o Tu ringový stroje • Dataflow přístup • Objektově-orientovaná 9 Deklarativní (funkcionální či logická) Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 3 / 26 roceso Technické prostředky • Stroj vykonávající instrukce • Vnitřní hodiny: takt procesoru 9 Základní jednotka sekvenční (ALU, FPU) • Může obsahovat více jednotek: vnitřní paralelismus • Instrukční cyklus: výběr a provedení instrukce jednou jednotkou Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 4 / 26 Technické prostředky E ypy procesorů • Univerzální • CISC: Complex Instruction Set Computer • RISC: Reduced Instruction Set Computer • S jedním, několika či mnoha jádry • části logiky znásobeny část sdílena • vyšší kumulovaný výkon • problém programování paralelního systému (sdílené části slabým místem (bottleneck)) • • • • • Specializované • Vektorové • Grafické • Embedded Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 5 / 26 Technické prostředky • Uchovává data • Přímo adresovatelná: sloupec a řádek • Rozsah adres: 16, 32, 64, 128, .. . bitů • Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat • Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí • Statická vs. dynamická paměť, volatilita • Hierarchie pamětí o Rychlá—pomalá • Drahá—levná Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 6 / 26 Technické prostředky • Uchovává data • Přímo adresovatelná: sloupec a řádek • Rozsah adres: 16, 32, 64, 128, .. . bitů • Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat • Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí • Statická vs. dynamická paměť, volatilita • Hierarchie pamětí o Rychlá—pomalá • Drahá—levná • Ilustrace ekonomického imperativu v IT Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 6 / 26 Technické prostředky I Deriferie • Zajišťují vstup/výstup informací: • komunikace s uživatelem • permanentní ukládání dat • komunikace s jinými systémy Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 7 / 26 Technické prostředky unikace s uživatelem • Interaktivní • Klávesnice: vstup • Myš, tablet (ve smyslu perfierie), stylus, . .. : vstup • Obrazovka: výstup i vstup • Zvuk: výstup i vstup • Dnes již i bezdotykové (kamery, kinect) • Dávková: nepřímá, prostřednictvím jiných zařízení Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 8 / 26 Technické prostředky ^ermanentni ukladaní o Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM) 9 Disky • Magnetické • Magnetooptické o Optické • Solid State Bloková zařízení • Pásky • Lineární přístup • Sítě Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 9 / 26 Technické prostředky ^ermanentni ukladaní • Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM) • Disky • Magnetické • Magnetooptické • Optické • Solid State Bloková zařízení • Pásky • Lineární přístup • Sítě • Papír (kámen): trvanlivost! Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 9 / 26 Technické prostředky unikace • Počítačové sítě • Drátové • Metalické/Elektrické • Optické Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 10 / 26 Technické prostředky unikace 9 Počítačové sítě * Drátové • Metalické/Elektrické • Optické • Bezdrátové • Radiové vlny • Optické Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologií podzim 2017 10 / 26 Technické prostředky unikace • Počítačové sítě • Drátové • Metalické/Elektrické • Optické • Bezdrátové • Radiové vlny • Optické • Akustické Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 10 / 26 Technické prostředky unikace • Počítačové sítě • Drátové • Metalické/Elektrické • Optické • Bezdrátové • Radiové vlny • Optické • Akustické Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 10 / 26 Technické prostředky • Virtuální realita • Brýle a helmy • 3D projekce a prostorový zvuk • Haptika (rukavice, ...) • Detekce polohy a pohybu Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 11 / 26 Technické prostředky • Virtuální realita • Brýle a helmy • 3D projekce a prostorový zvuk • Haptika (rukavice, ...) • Detekce polohy a pohybu • Mobilní telefony, phablety a tablety • Wearable computers Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 11 / 26 o je to počítač Technické prostředky • Standardní pohled: • Procesor(y) • Paměť • Periferie • Možné i jiné pohledy • Buněčné automaty 9 Neuronové počítače Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 12 / 26 Technické prostředky • Úzce propojené (tightly coupled) • Volně propojené (loosely coupled) • Distribuované • Gridy Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Úvod do informačních technologií podzim 2017 13 / 26 Technické prostředky zce propojené systémy • Často společná pamět • Minimální vliv vzdálenosti procesorů • Speciální propojení procesorů a pamětí 9 Vhodné pro tzv. jemný paralelismus • Typický výpočetní model: sdílená paměť (i kdyby byla pouze virtu Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologií podzim 2017 14 / 26 • Prevážne distribuovaná paměť (každý procesor zvlášť) • Vzdálenost procesorů může hrát roli • Speciální propojení procesorů • Výrazně vyšší latence (zpoždění) v mezi procesorové komunikaci (jednotky mus a méně) • Existence operací remote put a remote get pro přístup do paměti vzdáleného procesoru • Typický výpočetní model: zasílání zpráv Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 15 / 26 Technické prostředky istriDuovane systémy • Rozšírení předchozího modelu • Vždy distribuovaná paměť • Vzdálenost procesorů hraje významnou roli • Propojení procesorů často formou běžné LAN sítě o Vysoká latence v mezi procesorové komunikaci (100/xs až jednotky ms) • Typický výpočetní model: zasílání zpráv Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 16 / 26 Technické prostředky • Systém distribuovaný po geograficky rozsáhlých prostorech (země, kontinent, ...) • Propojeny samostatné počítače (včetně paralelních) • Propojení počítačů WAN sítí • Extrémně vysoká latence v mezi procesorové komunikaci (desítky až stovky ms) • Prakticky jediný výpočetní model: zasílání zpráv Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 17 / 26 Technické prostředky • Operační systém je velmi komplikovaný programový produkt • Vývoj odráží změny v informačních technologiích • programovací jazyky o softwarové inženýrství • vývoj hardware (kvalita, kapacita, .. .) 9 vývoj periferií • (Prakticky) každý se s ním potká • Principy návrhu proto demonstrovány na operačních systémech a jejich komponentách Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 18 / 26 Návrh OS avri 'o - princípy • efektivita • robustnost • flexibilita • přenositelnost • kompatibilita • bezpečnost Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 19 / 26 Návrh OS • Maximální využití dostupných zdrojů • Použití jednoduchých a jasných principů • Dekompozice návrhu • Objektově orientovaný návrh (pozor na přílišnou fragmentaci) • Agenti • Komponentní programování Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 20 / 26 • Schopnost úspěšně se vzpamatovat po výpadku • Řešeno redundancí (standardní inženýrské řešení): snižuje ovšem pozorovanou efektivitu • První výzkum v ČR koncem 50. a začátkem 60. let (Ing. Svoboda) • Běžné trojnásobné jištění (např. řídící počítače atomových ponorek USA) o V současné době zájem o self-healing programy • rozpoznání problému (výpadek nějaké komponenty) • návrh reakce a její implementace • nemusí garantovat plnou funkčnost/kapacitu o garantuje nezhroucení celého systému Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 21 / 26 • Možnost úpravy (adaptace) podle změněných potřeb - Adaptabilita • Příklad: výměna hw komponenty bez efektu na systém • změna parametrů (rychlejší disk s větší kapacitou), ale nikoliv změna principu • Často používána i ve významu rozšiřitelnost (extenzibilita) • Definuje a fixuje se rámec (framework) • Přidání nové složky bez změny rámce snadné • Případně hierarchie rámců (přidání či modifikace nového rámce) • Příklad: přidání dalšího procesoru, disku či grafické karty Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 22 / 26 • Velmi významná pro operační systémy • V minulosti se OS dělal přím ona konkrétní hardware, nebylo jej kam přenášet • „Revoluce": • OS/360 firmy IBM v 60. letech • UNIX (a jazyk C) v sedmdesátých letech (Multics) o IBM PC a MS Windows • Linux • Dostatečná abstrakce detailů • Virtuální „disk" namísto konkrétního zařízení • Programy psány bez odkazů na speciální vlastnosti • Využití standardů • Opět možný rozpor s požadavkem efektivity Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 23 / 26 • Úzce souvisíš přenositelností • Odstínění specifických detailů • usnadňuje práci uživatelům OS (včetně programátorů) • Využití standardů o Efektivita? • Skrytí výkonových specifik • Je možné kompenzovat • Tlak na výrobce, ať ,,nekomplikují" situaci • sjednocení architektury CPU • minimalizace variant GPU Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologií podzim 2017 24 / 26 Návrh OS I Bezpečnos1 Cíl: • Ochrana dat a majetku před krádeží, zneužitím, či poškozením p současném zachování přístupu vybraných uživatelů. Problémy: • Větší nároky na správu systému • Snižuje snadnost použití • musíte se přihlásit • Klade dodatečná omezení na uživatele (disciplina) • bezpečnost není jen technický, ale především organizační úkol • Srovnání: MS Windows 95 versus MS Windows NT Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 25 / 26 Návrh OS Stejný (podobný) hw a různé priority a Server: např. stabilita, bezpečnost, propustnost • Pracovní stanice: např. snadnost ovládání, rozumný výkon ve všech oblastech • Specializovaná grafická stanice: maximalizace grafického výkonu • Řídící systém: požadavky real-time, robustnost, Řešit různými operačními systémy nebo jedním dostatečně variabilním? Luděk Matýska (Eva Hladká) (Fl MU) PB001: Uvod do informačních technologii podzim 2017 26 / 26