FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
PB001: Uvod do informačních technologií
Luděk Matýska (Eva Hladká)
podzim 2024
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
1/24
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Obsah přednášky
Přerušení
Programové vybavení
Klasifikace OS
Kernel operačního systému
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024 2/24
Přerušení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
OS: Přerušení
■ Operační systémy obecně reagují na asynchronní události (events)
■ Přerušeni: mechanismus, jak přerušit vykonávanou práci na základě externí příčiny (nějaké události)
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
3/24
Přerušení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Význam přerušení
■ Podpora 1/0
■ Problém v programovém vybavení
■ Neautorizovaný přístup
■ Nelegální instrukce nebo operandy
■ Požadavek počítačem řízeného systému
■ Zásah operátora
■ Výpadek hardware
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
4/24
Přerušení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Příklady
■ Přerušení od časovače (pře p Lán ování procesů, multitasking, timeout,...)
■ Přerušení od periferie (klávesnice, myš, síťová karta,...)
■ Přerušení z procesoru (dělení nulou, chybná operace,...)
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
5/24
Přerušení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
OS: Principy přerušení
■ Přerušíbéh aktuálního procesu
■ Nutno uložit stav
■ a zapamatovat místo návratu
■ Více zdrojů a příčin přerušení
■ Nutno rozlišit typy (příčinu) přerušení
■ Nutno zapamatovat zdroj přerušení
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
6/24
Přerušení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Obsluha přerušení
■ Obsluha přerušení realizována v kerneLu
■ Zajištění serializace
■ Bezpečnost
■ VyvoLá tzv. přepnutí kontextu
■ Multitasking fakticky není možný bez podpory přerušení
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
7/24
Přerušení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Další vlastnosti
■ Maskování přerušení
■ dočasné a trvalé
■ možná ztráta přerušení/události
■ Priorita přerušení/obsluhy
■ Základní tři úrovně:
■ Nemaskovaná přerušení: vyšší priorita
■ Aktuálně zpracovávané přerušení
■ Maskovaná přerušení: nižší priorita
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
8/24
Přerušení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Polling
■ Polling = opakované dotazování (na stav/udá Lost)
■ Možná alternativa pro některá přerušení
■ Zaměstnává procesor
■ Může zůstat v uživatelském prostoru
■ Příklad: neustálé dotazování se na zapsanou známku
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
9/24
Programové vybavení
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Programové vybavení - pohled dle použití
■ 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 (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
Programové vybavení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Programovací jazyky
■ Rozlišujeme
■ Styl
■ Míru abstrakce
■ JDialekť
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
11/24
Programové vybavení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Programovací jazyky - styl
■ Imperativní/ProceduráLní: C, Fortran, Pascal, PerL, Python
■ Objektově orientované: Java, C++, C#, .NET
■ DekLarativní/FunkcionáLní: ML, Lisp, MIRANDA, Erlang
■ DekLarativní/Logické: Prolog, GHC
■ S jediným prirazením: SISAL
■ Produkční systémy: OPS5
■ Sémantické sítě: NETL
■ Neuronové sítě: SAIC ANSpec
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
12/24
Programové vybavení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Procedurální vs. deklarativní styl
fac := 1;
if n > 0 then
for i:=l to n do fac := i*fac;
fac(0)     := 1; fac(n>0) := n*fac(n-l);
fac(0,l).
fac(N,Fl*N) :- fac(N-l,Fl).
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
13/24
Programové vybavení
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Programovací jazyky - míra abstrakce
■ 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 (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
14/24
Programové vybavení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Programovací jazyky - implementace
■ Překladače
■ Zdrojový kód-mezijazyk-strojový jazyk
■ Překlad a sestavení
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
15/24
Programové vybavení
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Programovací jazyky - implementace
■ 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 (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
15/24
Programové vybavení
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Programovací jazyky - implementace
■ 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 (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
15/24
Klasifikace OS
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Klasifikace OS
■ Monolitický
■ Vrstvený
■ Modulární
■ Koncept kernelu a mikro-kernelu
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
16/24
Klasifikace OS
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Monolitický OS
■ Původní operační systémy (proprietami)
■ Abstrakce nepoužívána pří Liš dovnitř
■ jedna skupina "opravdových programátorů" po celou dobu životnosti OS
■ Nejasné rozlišení funkcí uvnitř operačního systému
■ yelké", špatně rozšiřitelné, špatně udržovatelné
■ Poplatné době pomalejšího vývoje hardware a jeho vysoké ceny
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
17/24
Klasifikace OS
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Vrstvený OS
■ Vrstvy odpovídají procesům správy:
■ Správa CPU
■ Správa paměti
■ Správa periferií
■ Správa systému souborů
■ Lepší abstrakce
■ Komunikace mezi vrstvami
■ Komplikuje strukturu
■ Riziko obcházení (shortcuts)
■ Jistá penalizace ve výkonu
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
18/24
Klasifikace OS
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Modulární OS
■ Moduly namísto vrstev
■ Zapouzdření (enkapsuLace) funkcí
■ Komunikace mezi moduly
m SLozitejsi na obejiti
■ Může mít vyšší režii (vyšší penalizace ve výkonu)
■ Příbuzný objektovému přístupu
■ Lepší údržba
■ Moduly menší, snáze se vyměňují než celé vrstvy
■ Riziko vzniku ,fatware"
■ Příliš mnoho příliš malých modulů
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
19/24
Kernel operačního systému
FAKULTA INFORMATIKY
Masarykova univerzita
Kernel operačního systému
■ Kernel, též jádro operačního systému:
■ Základní složka operačního systému
■ Odpovídá za:
■ Alokaci a správu zdrojů
■ Přímé ovládání hardware (nízkoúrovňové interfaces)
■ Bezpečnost
■ Mikrokernel:
■ Malé je pěkné
Modulární přístup, malé moduly odpovídající za konkrétní operace Řada funkcí až v uživatelském prostoru
■ Vysoce flexibilní, upravení operačního systému podle potřeby
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
20/24
Kernel operačního systému
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Aplikační programová rozhraní (API)
■ Definují způsob (,calling conventions") přístupu k operačnímu systému a dalším službám
■ Sestává se z definicí funkcí, datových struktur a tříd
■ Představuje abstrakci volané služby
■ Účel:
■ Přenositelnost
■ Snadná správa kódu
■ Další použití
■ Překlad mezi službami vysoké a nízké úrovně
■ Převod typů/struktury parametrů
■ Převod mezi způsoby předávání parametrů (by-vaLue a by-reference)
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
21/24
Kernel operačního systému
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
API - příklady
■ Práce se soubory:
■ Otevření: int open(char *path, int o'ag,
v
■ Ctění: int read(int ildes, char *buf, unsigned mbytes^)
■ Zápis: int write(int ildes, char *buf, unsigned mbytes^)
■ Zavření: int close(int ildes^)
■ Práce s pamětí:
■ Alokace paměti: void ^mallocCsize-t size)
■ Uvolnění paměti: void free(void *ptr)
■ Změna alokace: void *realloc(void *ptr, size_t size)
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
22/24
Kernel operačního systému
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Periferie z pohledu (modulárního) OS
■ Zpřístupněny prostřednictvím příslušného API
■ Abstrakce: možnost výměny konkrétního zařízení (disk, síťová karta) bez vlivu na způsob použití
■ Příznaky a klíče pro ovládání špecifických vlastností: přenositelnost versus efektivita
■ Ovladače na nejnižší úrovni (jnejblíže" hardware)
■ Specifické jazyky" ovládání periferií na této úrovni
■ Práce se signály (např. změna stavu periferie)
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
23/24
Kernel operačního systému
FAKULTA INFORMATIKY
I   Masarykova univerzita
Periferie z pohledu (modulárního) OS
Začlenění ovladače do jádra
■ kooperativní vs. hierarchické (možnost preempce)
■ efektivita vs. stabilita
■ formální verifikace ovladačů: Microsoft Static Driver Verifier Příklady
■ Práce s diskem
■ Ovládání klávesnice a myši (čtení signálů)
■ Grafika a ovládání grafických rozhraní
■ Síťové karty
Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2024
24/24