Architektura počítače Základní bloky Provádění instrukcí

ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ

Architektura počítače Základní bloky Provádění instrukcí

České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01

Ver.1.00

2010

Hodnocení předmětu A0B38UOS •

• •

CVIČENÍ • Během semestru 4 testy: • 15 minut: (4., 6., 8. cvičení) • 60 minut: (11. cvičení) • Ze semestru lze získat maximum 60 bodů. • Na zápočet minimum 30 bodů ! ZKOUŠKA • Zkouškový test + krátká ústní část (maximálně 40 bodů). KLASIFIKACE • 90 – 100 bodů A (výborně) • 80 – 89 bodů B (velmi dobře) • 70 – 79 bodů C (dobře) • 60 – 69 bodů D (uspokojivě) • 50 – 59 bodů E (dostatečně) • < 50 bodů F (nedostatečně) Klasifikace je možná na základě hodnocení ze cvičení při dosažení ≥ 30 bodů!!! • 55 – 60 bodů A (výborně) + absolvování krátké ústní zkoušky • 49 – 54 bodů B (velmi dobře) + absolvování krátké ústní zkoušky • 43 – 48 bodů C (dobře) • 37 – 42 bodů D (uspokojivě) • 30 – 36 bodů E (dostatečně)

Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače

2

Studijní materiály a informace o předmětu

• http://measure.feld.cvut.cz/vyuka/predmety/bakalarske/navody

• http://measure.feld.cvut.cz/node/2700


3

„Nultá“ generace 1642 - 1945 •

Mechanické počítače (kalkulátory) • 1642 – Blaise Pascal – kalkulátor po výběr daní (+, -) • 1672 – Gotfried von Leibniz – mechanický počítač (+, -, *, /) • (1792-1871) – Charles Babbage – analytical engine • První skutečný počítač • Měl čtyři části • Store (paměť), Mill (CPU), Input section (čtečka děrných karet – z měděného plechu), Output section (děrovačka karet). Neměl operační systém. • Kapacita paměti – 1000 slov (slovo 50 dekadických cifer) • Mill četl operandy z paměti, uměl +, -, *, -, a výsledek zapsal zpět do paměti. • Velký pokrok – počítač byl universální, četl program a data z děrných karet a výsledek přenesl do výstupních karet • Programoval se v jednoduchém assembleru • Programátorka – Ada Lovelace (dcera básnika Byrona) • Počítač nikdy nepracoval uspokojivě, nepřesné mech.součásti


4

První generace (1945-55) •

HW – elektronky nebo elektromechanická relé • Mnoho pokusů, USA, Anglie, Německo • Př.: • Německo K. Zuse – Z3 computer (hw – relé) • Anglie Collosus • USA W. Mauchley a J.Eckert – ENIAC (hw – elektronky) • Počítače velmi nespolehlivé (elektronky), pomalé (relé) • Neexistovaly programovací jazyky • Neexistoval operační systém • Program se připravoval na propojovací desce (kabely), počítač si programátor vyhradil pro sebe vložil propojovací desku a zkoušel program. • Počítač se použival pro numerické výpočty • Okolo roku 1950 – začátek používání děrných štítků (malé vylepšení)


5

Druhá generace (1955-65) •

HW – Tranzistory, OS – Batch Systems, Mainframe • Vynález tranzistoru (1947) radikálně změnil situaci • Počítače se staly dostatečně spolehlivé, daly se použít pro komerční výpočty • Mohly být vyráběny a prodány zákazníkům • Byly velmi drahé (miliony dolarů) • Počítače si mohly dovolit pouze velké a bohaté podniky • Poprvé došlo k jasnému oddělení činnosti navrháře počítače, výrobce, operátora, programátora a personálu údržby • Tyto počítače se nazývaly „Mainframes“ • Zabíraly celé klimatizované místnosti • CPU podstatně rychlejší než I/O operace (štítky, pásky), snaha využít výkon počítače efektivně – vstupní a výstupní operace na levnějších, ale pomalejších počítačích, výpočet pak na hlavnim stroji – dávkové zpracování (Batch processing)


6

Druhá generace (1955-65) • •

HW – Tranzistory, OS – Batch Systems Dávkové zpracování (Batch Processing)

[1]

Slow

Fast, Large Main Memory

Slow

IBM Computers (Mainframes) [1] Tanenbaum, A: Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, 2008 Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače

7

Výpočetní dávka na děrných štítcích •

Dávkové zpracování (Batch Processing), Job

Koncový štítek dávky Data programu JAN NOVAK

Zdrojový kód programu Pokyn k natažení překladače První štítek dávky Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače

8

Postup zpracování programu • • •

Počítače (Mainframes) drahé – miliony dolarů Zabíraly celé místnosti (klimatizace) Postup zpracování programu: • Zapsat program na papír • Přenést na děrné štítky (děrovací psací stroj) – sestavit dávku (Batch) • Přinést dávku obsluze počítače • Přenést informace z děrných štítků na magnetickou pástku • Přenést magnetickou pásku na hlavní počítač • Spustit výpočet (i více dávek najednou) • Výsledek se zapíše na jinou magnetickou pásku • Přenést pásku na tiskový počítač • Vytisknou buď výsledek, častěji chybové hlášení (syntax error) • Vyzvedout tiskovou sestavu u obsluhy • Prostudovat tiskovou sestavu • Upravit program a celý postup opakovat


9

Třetí generace 1965-80 • • • • •

•

•

HW – integrované obvody (SSI - malá integrace) OS – multiprogramming, spooling, timesharing Řada počítačů IBM360 – jsou kompatibilní, liší se rychlostí a velikostí paměti Operační systém OS360 shodný pro celou řadu Nový princip řízení výpočtu - Multiprogramming • Umožnil efektivní využití CPU (rychlé) i když I/O operace jsou pomalé • V hlavní paměti je současně několik úloh (Jobs), když daná úloha čeké na ukončení I/O operace, CPU se přidělí další úloze (multiprogrammig) Současné (paralelní) čtení programu z děrných štítků a výpočet – Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On Line). Odpadá počítač pro pořizování dat. Nová úloha (Job) mohla být operačním systémem spuštěna ihned po dokončení předchozí. Interaktivní sdílení času - Timesharing – k počítači připojeno více (mnoho) terminálů a uživatel mohl s počitačem komunikovat interaktivně. Čas CPU byl přidělován jednotlivým uživatelům tak často, aby vznikl dojem, že každý uživatel má počítač ihned k dispozici.


10

Některé OS využívající Timesharing • •

CTSS (Compatible Time Sharing System) – 1962 M.I.T MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) – Bell Labs, GE

•

Vznik trhu minipočítačů (Minicomputers) – 1961 – DEC (Digital Equipment Corporation) PDP-1, PDP-7, PDP-11 – řádově levnější než „Mainframes“, minipočítač si mohly dovolit university i menší firmy.

•

Jeden z autorů MULTICS tento OS upravil pro PDP-7 – vznik OS UNIX • Významné verse UNIXu – System-V (AT&T), BSD (Berkeley Software Distribution) • IEEE – vytvořila normu (Standard) pro UNIX → POSIX • MINIX – malý klon UNIXu (1987) (Tannenbaum) • Linux (upravený MINIX) (Linus Torvalds)


11

Čtvrtá generace 1980-2010 • • •

HW – mikroprocesory (integrované obvody LSI, VLSI – velká integrace) OS CP/M, MS-DOS, Windows, Apple Macintosh Vznik osobních počítačů a později sítových OS • 1971 Intel 4004 • 1974 Intel 8080, Motorola 6800, Zilog Z80 (1975) • 1977 CP/M – Control Program for Microcomputers (Digital Research) – secondary storage – Floppy disk • 1978 Intel 8088 (16 bit machine) • 1980 IBM PC (Personal Computer) • 1980 MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System (na HDD) • 1983 Intel 80286 • Apple Macintosh OS a GUI (Graphical User Interface) • 1985-1995 Microsoft Windows – jen grafická nadstavba nad MS-DOS • 1985 Windows 95 (16 bit system) • 1988 Windows 98 (16 bit system)


12

Čtvrtá generace 1980-2010 • • • • • •

• • •

1999 – Windows NT 4.0 (New Technology)(32 bit) – již bez MS-DOS Windows NT přejmenovány na Windows 2000 2001 Windows XP (vylepšené NT) 2007 Windows Vista 2009 Windows 7 Paralelně s Windows se šíří používání různých verzí UNIXu – Linux • Včetně několika versí GUI pro UNIX • X Windows System (X11) • Gnome • KDE Rychlé rozšiřování síťových a distribuovaných OS Oddělená kapitola – Operační systémy reálného času (Real Time Operating Systems – RTOS) – na PC i v Embedded (vestavných) aplikacích počítačů. Hard RTOS, Soft RTOS.


13

Operační systém (Operating System) •

Operační systém je software který [1]: • pro uživatelské programy vytváří lepší, jednodušší, přehlednější základnu pro efektivní využití počítače, • spravuje všechny prostředky (resources) počítače.

•

Prostředky (resources) počítače: • Procesory • Operační paměť (Main Memory) • Disky • Tiskárny • Klávesnice • Myš • Síťové adaptéry • … různá další vstupní a výstupní zařízení (Devices)

[1] Tanenbaum, A: Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, 2008


14

Komponenty počítačového systému


15

Komponenty operačního systému


16

Struktura počítače Kontrolní seznam 1

Check list No.1

Struktura počítače • Počítač • Procesor • Operační paměť • Periferní obvody • ALU – aritmetická a logická jedn. • Registr (paměťové místo) • Řízení procesoru - Řadič • Vstupní kanály • Výstupní kanály • Společná sběrnice • Bit • Byte (slabika)

Computer structure • Computer • Processor, CPU • Main Memory • Peripherals • ALU – Arithmetic Logic Unit • Register • Processor control - Controller • Input (Input Channels) • Output (Output Channels) • Bus (Common Bus) • Bit • Byte


17

Strukrura počítače Hlavní komponenty počítače

Paměť programu a dat

Vstupní a výstupní zařízení

Komunikace s okolním světem

Procesor Výpočetní část Mezipaměť výsledků Řízení Řadič (Controller)


18

Propojení bloků počítače – Bus (společná sběrnice)


19

Paměti počítače Common Bus XTAL Clock

CPU

Program Memory

MAIN MEMORY

BIOS Operating System

PROGRAM INSTRUCTIONS

Application Program BUS MASTER CPU - SYNCHRONOUS FINITE STATE MACHINE (FSA, FSM) SEQUENTIAL PROGRAM PROCESSING (ONE INSTRUCTION AT A TIME)

PROGRAM VARIABLES & PROGRAM STACK

Data Memory

CD/DVD Output COMMON DATA PATH (BIDIRECTIONAL)

HDD

I/O Channels Input

EXTERNAL MEMORY Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače

FLASH Corsair

20

Organizace operační paměti (Main Memory) •

Operační paměť (Main Memory) je rozdělena na buňky – paměťová místa, kterým jsou přiřazena nezáporná čísla nazývaná adresy

•

• Obsah paměťového místa je slovo • slovo (word) – velikost závisí na procesoru (např. 16b, 24b, 32b, 64b), • b – značí bit (binary digit) • B – značí byte (slabika), 8b = 1B, byte je uspořádaná osmice bitů, obvykle 2 nebo i více byteů tvoří slovo, např. u procesorů Intel řady x86 – 1 slovo = 2B = 16b.


21

Procesor a operační paměť - Výkon vs. roky

Výkon

100.000 x

40 let


22

Paměťová hierarchie Registry na CPU

Rychlost přístupu

Cena

Cache

Operační paměť (DRAM) Magnetický disk (HDD) CD-RW DVD-RW

Magnetická páska

Velikost Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače

23

Instrukční cyklus Kontrolní seznam 2

Check list No.2

Instrukční cyklus • Čtení instrukce • Vykonání instrukce • Dekódování instrukce • Čtení operandu • Zpracování operandů • Zápis výsledku • Řídicí sběrnice (CB) • Datová sběrnice (DB) • Adresová sběrnice (AB) • Sběrnicový cyklus • Směr přenosu informace

Instruction cycle • Operational code (Opcode) fetch • Instruction execution • Instruction decode • Operand read • Operand processing • Result write • Control bus (CB) • Data bus (DB) • Address bus • Bus cycle • Information transfer direction


24

Vykonání instrukce


25

Rozdělení společné sběrnice


26

Kde číst následující instrukci

Čítač instrukcí

1) Další instrukci čti vždy z adresy uložené v PC 2) Adresa v PC se mění automaticky, po čtení instrukce ukazuje na další instrukci 3) Adresa v PC se dá změnit vykonáním instrukce skoku, cílová adresa je součástí instrukce


27

Větvení programu (Jump, Branch)

Realizace větvení programu


28

Dekompozice problému na dílčí části


29

Zde příklad v Javě


30

Požadavky pro volání procedury

Návratová adresa


31

Princip volání procedury (Procedure Call)

Zásobník (návratových adres)

Ukazatel zásobníku Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače

32

Synchronní akce – volání procedury Kontrolní seznam 3

Check list No.3

Synchronní akce • Čítač instrukcí - PC • Ukazatel do paměti programu • Postupné čtení • Automatická inkrementace • Vnucená adresa • Zásobník • Ukazatel zásobníku • Ukazatel na vrchol zásobníku • Vrchol zásobníku • Vlož do zásobníku - PUSH • Vyzvedni ze zásobníku - POP

Synchronous actions • Program Counter PC • Pointer to program memory • Sequential read • Auto-increment • Forced address • Stack • Stack Pointer • Pointer to stack top • TOS – top of stack • PUSH • POP


33

Synchronní akce – volání procedury - pokrač. Kontrolní seznam 4

Check list No.4

Synchronní akce - pokrač. • Začátek programu • Hlavní smyčka • Volání procedury • Návratová adresa • Začátek procedury • Tělo procedury • Bod návratu (return) • Vnořené volání • Návěští (cílová adresa skoku) • Skok (bez návratové adresy) • Hloubka zásobníku

Synchronous actions – cont'd • Program start point • Main loop • Procedure call • Return address • Procedure start • Procedure body • Return • Nested calls • Label (jump target address) • Jump (no return address) • Stack depth


34

Prostředky pro organizaci volání procedury


35

Sdílené prostředky (sdílí je procedury)


36

Princip volání procedury (synchronní) • • • • • • • • • • • • •

Volání procedury - souhrn akcí Volání procedury je vyvolané programem (synchronní) ne vnější událostí (vnější událost – viz. přerušení) Stejným mechanismem se řídí i vnořené volání (procedura volá proceduru) Další instrukce se vždy čte z adresy právě uložené v čítači instrukcí (PC) Čti instrukci “Call“ Ulož “návratovou adresu“ (tj. obsah čítače instrukcí) do zásobníku Vlož do čítače instrukcí počáteční adresu procedury Ulož kontext do zásobníku Proveď tělo procedury Vyzvedni kontext Proveď instrukci “Return“ Ta vyzvedne “Návratovou adresu“ ze zásobníku do čítače instrukcí (PC) Pokračuj v programu za místem volání “Call“ na pozadí – tj. čti instrukci z adresy uložené v PC


37

Před čtením “CALL“

1 2 3 4

5 6 7


38

Po čtení “CALL“ 1

1 2 3 4

5 6 7


39

Během provádění “CALL“

2

1 2 3 4

5 6 7


40

Po provedení “CALL“

3

1 2 3 4

5 6 7


41

Před čtením “RETURN“

4

1 2 3 4

5 6 7


42

Po čtení “RETURN“

5

1 2 3 4

5 6 7


43

Po čtení “RETURN“

7

6

1 2 3 4

5 6 7


44

Princip volání procedury (synchronní) - souhrn • • • • • • • • • • • • •

Volání procedury - souhrn akcí Volání procedury je vyvolané programem (synchronní) ne vnější událostí (vnější událost – viz. přerušení) Stejným mechanismem se řídí i vnořené volání (procedura volá proceduru) Další instrukce se vždy čte z adresy právě uložené v čítači instrukcí (PC) Čti instrukci “Call“ Ulož “návratovou adresu“ (tj. obsah čítače instrukcí) do zásobníku Vlož do čítače instrukcí počáteční adresu procedury Ulož kontext do zásobníku Proveď tělo procedury Vyzvedni kontext Proveď instrukci “Return“ Ta vyzvedne “Návratovou adresu“ ze zásobníku do čítače instrukcí (PC) Pokračuj v programu za místem volání “Call“ na pozadí – tj. čti instrukci z adresy uložené v PC


45

Asynchronní akce – hardwareové (hw) volání procedury

Žádosti o přerušení Řadič přerušení


46

Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR) Kontrolní seznam 5

Check list No.5

Asynchronní akce • Systém přerušení • Hardwarové volání procedury • Předdefinovaná cílová adresa • Vektor přerušení • Tabulka vektorů přerušení • Asynchronní žádost o přerušení • Řadič přerušení • Vstupy žádostí o přerušení • Asynchronní událost • Žádost o přerušení do CPU • Potvrzení žádosti od CPU

Asynchronous actions • Interrupt system • Hardware procedure call • Predefined target address • Interrupt vector • Interrupt vector table • Asynchronous interrupt request • Interrupt controller • Interrupt request inputs • Interrupt event • CPU interrupt request • CPU interrupt acknowledge


47

Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR). Kontrolní seznam 6

Check list No.6

Asynchronní akce - pokrač. • Instrukce je nepřerušitelná • Reakční doba přerušení • Priorita přerušení • Statická priorita přerušení • Dynamická priorita přerušení • Programová priorita přerušení • Typy přerušení • Maskovatelné přerušení • Nemaskovatelné • Programové (ladící) přerušení • Program řízený událostmi

Asynchronous actions – cont'd • Instruction is uninterruptable • Interrupt latency • Interrupt priority • Static interrupt priority • Dynamic interrupt priority • Software interrupt priority • Interrupt types • Maskable interrupt • Nonmaskable interrupt • Trap (software interrupt) • Event driven program


48

Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR) Kontrolní seznam 7

Check list No.7

Asynchronní akce - pokrač. • Obsluha přerušení - ISR • Návratová adresa z přerušení • Instrukce návratu z přerušení • Asynchronní událost • Pozadí programu • Nejnižší hladina programu • Sdílené zdroje • Střadač • Stavové slovo procesoru - PSW • Příznakový registr • Kontext programu (uložit/obnovit)

Asynchronous actions – cont'd • Interrupt service routine - ISR • Interrupt return address • Interrupt return instruction • Asynchronous event • Background (level) • Lowest program level • Shared resources • Accumulator • Processor status word - PSW • Flag register • Program context (save/restore)


49

Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR)


50

Prostředky pro organizaci hw volání procedury (interrupt)


51

Sdílené prostředky (sdílí je ISR a přerušený program)


52

Žádost o obsluhu přerušení (hw volání procedury)


53

Žádost o obsluhu aktivní - 1


54

Dokončení aktivní instrukce - 2


55

Uložení (Push) návratové adresy do zásobníku (Stack) - 3


56

Vyzvednutí adresy obslužného programu (ISR) - 4


57

Spuštění obslužné procedury přerušení (ISR) - 5


58

Uložení kontextu do zásobníku - 6


59

Provedení těla obslužné procedury (ISR) - 7


60

Obnovení kontextu (ze zásobníku) - 8


61

Vyzvednutí návratové adresy (ze zásobníku) - 9


62

Obnovení běhu přerušeného programu - 10


63

Princip programu řízeného událostmi - souhrn •

Obsluha žádosti o přerušení – souhrn akcí

• •

Dokonči právě prováděnou instrukci (instrukce je nepřerušitelná) Ulož (Push) “návratovou adresu“ do zásobníku (tj. adresu, která je právě v čítači instrukcí (PC)) Vyzvedni adresu ISR (tj. podprogramu obsluhy přerušení) z tabulky vektorů přerušení Spusť ISR Vynuluj “Interrupt Request Flag“ (závisí na typu procesoru) Ulož kontext do zásobníku Proveď tělo ISR (vlastní obsluhu žádosti o přerušení) Obnov původní kontext (vyzvedni ho ze zásobníku) Proveď instrukci “Return“ Ta vyzvedne “Návratovou adresu“ ze zásobníku do čítače instrukcí (PC) Pokračuj v programu na pozadí – tj. čti instrukci z adresy uložené v PC

• • • • • • • • •


64

Event Driven Program Principle - summary •

Interrupt request service summary

• • • • • • • • • • •

Finish current background instruction (instruction is uninterruptable) Push “Return Address“ to stack (i.e. address in program counter) Get “ISR Address“ from “Interrupt Vector Table“ Start ISR routine Clear “Interrupt Request Flag“ (depends on processor type) Save context to stack Run ISR body Restore context from stack Execute “Return“ instruction Pop “Return Address“ from stack (Pop it to program counter) Continue background program – read next instruction from address in PC


65

ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ

Architektura počítače Základní bloky Provádění instrukcí KONEC

České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 01 - Architektura počítače

66

Architektura počítače Základní bloky Provádění instrukcí

Recommend Documents