Operačnísystémy a databáze

Operační systémy a databáze A3B33OSD Jiří Lažanský, K13133 [email protected]

A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014

Úvod, Technické vybavení

1

Téma 1: Úvod, Technické vybavení Obsah 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Obsah a organizace předmětu Co to je Operační systém Multiprogramování, sdílení času Rozmanitost operačních systémů, historie Základní struktura technického vybavení Procesor a jeho registry Instrukce a jejich vykonávání Vstup a výstup Režimy práce procesoru Výjimečné situace, přerušení Paměti a jejich hierarchie Ochranné mechanismy



2

Cíle předmětu O čem tento předmět NENÍ • O konkrétních implementacích konkrétních operačních systémů (OS) na konkrétních hardwarových platformách ani o konkrétních databázových systémech – Konkrétní implementace pouze jako ilustrace principů

• O tvorbě operačních systémů jako celků

Jaký JE účel tohoto předmětu • Poznat principy práce OS a databázových systémů • Naučit se systémy využívat efektivně a bezpečně – Vhodným programováním na uživatelské úrovni lze mnohdy výrazně zefektivnit běh úloh • Ukážeme proč a jak

– Při tvorbě složitějších systémů lze narazit na zřídka se vyskytující, o to však nebezpečnější situace – Systematická organizace dat v databázích je základem efektivního přístupu k nim a minimalizace duplicit v datech • Vícenásobný přístup k datům vede na otázky řešené v operačních systémech A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


3

Studijní podklady • Předmět má dvě volně provázané části: OS a DBMS • Souhrnná literatura v češtině není • Tyto prezentace (stránka předmětu): http://labe.felk.cvut.cz/vyuka/A3B33OSD/ • Cvičení částečně seminární a samostatná práce – Odkaz na cvičení z uvedené stránky – Vedoucí cvičení: RNDr. Petr Štěpán, PhD.

• Zkouška: – – – –

Výsledky cvičení (až 10 b.) Test u zkoušky (až 5 b. – k pokračování ve zkoušce nutno aspoň 3 body) Zadané příklady/úlohy (až 15 b.) Hodnocení: • ≥ 27 & Minimálně 9 b. ze cvičení + ≥ 4.5 b. z testu • ≥ 24 & Minimálně 8 b. ze cvičení • ≥ 21 & Minimálně 7 b. ze cvičení • ≥ 18 • ≥ 15


→ → → → →

A (výborně) B (velmi dobře) C (dobře) D (uspokojivě) E (dostatečně)


4

Literatura • Silberschatz A., Galvin P. B., Gagne G.: Operating System Concepts – http://codex.cs.yale.edu/avi/osbook/OS7/os7c/index.html

• Tanenbaum A. S.: Modern Operating Systems • Stallings W.: Operating Systems: Internals and Design Principles

• Silberschatz A., Korth H. F., Sudarshan S.: Database System Concepts – http://codex.cs.yale.edu/avi/db-book/



5

A. S. Tanenbaum: Modern Operating Systems



6

Proč studovat OS? • Pravděpodobně nikdo z nás nebude psát celý nový OS • Proč tedy OS studovat? – Jde o nejrozsáhlejší a nejsložitější IT systémy • inspirace a systémový pohled na řadu jiných úloh

– Uplatňují se v nich mnohé různorodé oblasti • • • •

softwarové inženýrství, netradiční struktury dat, sítě, algoritmy, …

– Čas od času je potřeba OS upravit • pak je potřeba operačním systémům porozumět • psaní ovladačů, …

– Techniky užívané v OS lze uplatnit i v jiných oblastech • neobvyklé struktury dat, krizové rozhodování, problémy souběžnosti, správa zdrojů, ... • mnohdy aplikace technik z jiných disciplin (např. operační výzkum) • naopak techniky vyvinuté pro OS se uplatňují v jiných oblastech (např. při plánování aktivit v průmyslu) A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


7

Co to je Operační systém? (1) • Neexistuje žádná obecně uznávaná definice • OS je programový subsystém fungující jako mezičlánek, který spojuje uživatele a hardware počítače • Úkoly OS: – dohlížet na provádění výpočtů řízených uživatelskými programy – usnadňovat řešení uživatelských problémů – umožnit efektivní využití hardware počítače – učinit počítač snáze použitelný

• OS je – správce prostředků – spravuje a přiděluje zdroje systému – řídicí program – řídí provádění ostatních programů

• Jádro operačního systému – trvale ‘aktivní’ sada spolupracujících programových komponent • ostatní (tzv. systémové) programy lze chápat jako nadstavbu jádra • aplikační programy jsou vlastně jádrem spouštěné „rutiny“ A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


8

Co to je Operační systém? (2) • Několik koncepcí pojmu OS – systémové – „obchodní“ – organizační

(jen jádro a s ním související nadstavby) (to, co si koupíme pod nálepkou OS) (včetně pravidel pro hladký chod výpočetního systému)

• OS jako rozšíření počítače – Zakrývá komplikované detaily hardware závislé na konkrétní výpočetní platformě – Poskytuje uživateli „virtuální stroj“, který má se snáze ovládá a programuje

• OS jako správce systémových prostředků – Každý program dostává prostředky v čase – Každý program dostává potřebný prostor na potřebných prostředcích A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


9

Skladba počítačového systému • Hardware – základní výpočetní zdroje (CPU/procesor, paměť, I/O zařízení)

• Operační systém – řídí a koordinuje používání hardware různými aplikačními programy různých uživatelů

• Aplikační programy – definují způsoby, jak se zdroje výpočetního systému používají pro řešení uživatelských výpočetních úloh (kompilátory, databázové systémy, video hry, programy účetní správy, rezervace místenek, programovatelný logický automat, ...)

• Uživatelé – lidé, stroje (řízení klimatizace budovy), jiné počítače (sítě, distribuované systémy) A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


10

Model počítačového systému Uživatel 1

Uživatel 2

Uživatel 3

Překladač

Textový editor

Počítačová hra

...

Uživatel n

Databáze

Systémové a aplikační programy

Operační systém (jádro) Hardware počítače



11

Různorodost operačních systémů • OS „střediskových“ (mainframe) počítačů nebo „cloudů“ • OS datových a síťových serverů • OS multiprocesorových počítačů • OS osobních počítačů a pracovních stanic • OS reálného času (Real-time OS) • Vestavěné OS (tiskárna, pračka, telefon, ...) • OS čipových karet (smart card OS) • ... a mnoho dalších specializovaných systémů



12

Klasické „střediskové“ počítače (1) • Střediskový počítač – dnes již historický pojem • V současnosti vystupují v jejich rolích podnikové servery • Hlavní rysy „historických střediskových“ počítačů – Zpravidla děrnoštítkové systémy – Redukce režijního času pro přípravu výpočtů se dosahovalo řazením podobných prací/zakázek (jobs) do dávek – batch – Batch processing, automatizace řazení dávek včetně automaticky předávaného řízení mezi definovanými zakázkami (jobs) – Rezidentní řídicí program – monitor – předává řízení mezi zakázkami; když zakázka končí – řízení se vrací monitoru – Multiprogramní režim činnosti – na primitivní úrovni (aspoň z dnešního pohledu)



13

Klasické „střediskové“ počítače (2)

Historický systém dávkového zpracování – – – –

Operátor přinesl děrné štítky k IBM 1401 Zde vznikla tzv. „dávka“ (in-spooling) Na IBM 7094 proběhlo vlastní zpracování Výstupní IBM 1401 poslal výsledky na tiskárnu (out-spooling)

• Spooling se samozřejmě používá i v nejmodernějších systémech A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


14

OS implementující multiprogramování (1) • Funkcionalita pro ovládání I/O – Řízení operací provádí výhradně operační systém (proč?) – Dva režimy práce CPU (jádro vs. uživatel) → privilegované instrukce

• Funkcionalita pro správu paměti – Systém musí být schopný přidělovat paměť různým zakázkám a ze zakázek odvozeným procesům dynamicky přidělovat paměť – Dvojí pohled na paměť • z hlediska její fyzické konstrukce a šířky fyzických adresovacích sběrnic – fyzický adresní prostor, FAP • z hlediska konstrukce adresy ve strojovém jazyku – logický adresní prostor, LAP

– Ochrana oblastí paměti před neautorizovaným přístupem



15

OS implementující multiprogramování (2) • Mechanismus přerušení – předávání řízení mezi aplikačním programem a „monitorem“ → implementace reakcí na asynchronní události – OS je systém řízený přerušeními

• Plánování práce CPU – spolupráce s generátorem časových značek (timer) – po uplynutí daného intervalu se generuje přerušení – ochrana proti trvalému obsazení CPU uživatelským procesem (záměrně, chybou, ...) – OS musí být schopen volit mezi různými výpočetními procesy připravenými k činnosti

• Funkcionalita pro přidělování zařízení (systémových zdrojů) – dynamické přidělování – přidělování exkluzivní či sdílené



16

Systémy s přidělováním časových kvant • Tzv. Time-Sharing Systems (TSS) • Multiprogramování vzniklo jako nástroj pro efektivní řešení dávkového zpracování • TSS rozšiřují plánovací pravidla – o rychlé (spravedlivé, cyklické ) přepínání mezi procesy řešícími zakázky interaktivních uživatelů

• Podpora on-line komunikace mezi uživatelem a OS – původně v konfiguraci počítač – terminál – v současnosti v síťovém prostředí

• Systém je uživatelům dostupný on-line jak pro zpřístupňování dat tak i programů



17

Osobní (personální) počítače – PC • Typicky orientované na jednoho uživatele – v současné době ale vesměs s multiprogramováním (multitaskingem)

• Typizované I/O vybavení – klávesnice, myš, obrazovka, malá tiskárna, komunikační rozhraní

• Upřednostňovaným cílem je uživatelovo pohodlí – minimum ochran – hlavní roli hraje odpovědnost uživatele – často se nevyužívají ochranné vlastnosti CPU

• OS PC často adoptují technologie vyvinuté pro OS větších počítačů • Mnohdy lze provozovat různé typy operačních systémů – M$ Windows A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014

, UNIXy

, Linux

...


18

Paralelní a distribuované systémy • Paralelní systémy – více procesorů (tzv. multiprocesory) – sdílí společný FAP – všechny procesory mohou „současně” vidět stav paralelně řešené úlohy udržovaný ve sdíleném FAP – paralelní systémy jsou řízeny paralelními algoritmy – někdy též „těsně vázané“ systémy (tightly-coupled systems)

• Distribuované systémy – – – –

více počítačů (ne nutně shodných) každý má samostatný FAP komunikují periferními operacemi (komunikační spoje, síť) stav distribuovaně řešené úlohy si musí každý zúčastněný počítač postupně získávat výměnou zpráv řízenou distribuovanými algoritmy – někdy též „volně vázané“ systémy (loosely-coupled systems) A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


19

Paralelní systémy • Zvyšují propustnost a spolehlivost při rozumných nákladech na výpočetní systém • Multiprocesorové systémy – systémy s více procesory vzájemně komunikujícími vnitřními prostředky jednoho výpočetního systému (např. společnou sběrnicí)

• Nesymetrický multiprocesing – každý procesor má přidělený specifický úkol – hlavní (master) procesor plánuje a přiděluje práci podřízeným (slave) procesorům

• Symetrický multiprocesing (SMP) – využíván většinou soudobých OS – současně může běžet více procesů na různých CPU – kterýkoliv proces (i jádro OS) může běžet na kterémkoliv procesoru A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


20

Distribuované systémy • Rozdělení výpočtů mezi více počítačů propojených sítí – lze vyvažovat zátěž (load-sharing), výpočty se tím zrychlují i za cenu vyšší režie spojené s komunikací – zvyšuje se spolehlivost a komunikační schopnosti – každý samostatný procesor má svoji vlastní lokální paměť – vzájemně se komunikuje pomocí přenosových spojů (sítě) mechanismem výměny zpráv

• Vynucují si použití vhodné síťové infrastruktury – LAN, Local Area Networks – WAN, Wide Area Networks

• Klasifikace – asymetrické distribuované systémy – klient-server – symetrické distribuované systémy – peer-to-peer

• OS: – Distribuovaný OS vs. síťový OS A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


21

Paralelní a distribuované systémy CPU

CPU

...

CPU

Těsně vázaný multiprocesorový systém

Sběrnice Paměť

Klient

Klient

Klient

Distribuovaný systém typu klient-server

...

Klient

Síťová infrastruktura Server



22

Real-Time systémy (RT systémy) • Zpravidla řídicí zařízení v dedikovaných (vestavěných) aplikacích: –vědecký přístroj, diagnostický zobrazovací systém, systém řízení průmyslového procesu, monitorovací systémy

• Obvykle dobře definované pevné časové limity • Klasifikace: –striktní RT systémy – Hard real-time systems • omezená nebo žádná vnější paměť, data se pamatují krátkodobě v RAM paměti • protipól TSS, univerzální OS nepodporují striktní RT systémy • plánování musí respektovat požadavek ukončení kritického úkolu v rámci požadovaného časového intervalu • použití např. v přímém průmyslovém řízení, v robotice

–tolerantní RT systémy – Soft real-time systems • použitelné v aplikacích požadujících dostupnost některých vlastností obecných OS (multimedia, virtual reality, video-on-demand) • kritické úkoly mají přednost „před méně šťastnými” A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


23

Kapesní systémy • Handheld Systems, Personal Digital Assistants (PDA) • Charakteristiky: – – – –

Požadavek energetické úspornosti => Pomalé procesory Omezená kapacita paměti Zpravidla malý display Potřeba multiprogramování, avšak obvykle bez sdílení času

• Mobilní telefony – Navíc podpora síťových komunikačních protokolů – Softwarové modemy



24

Základní komponenty osobního počítače



25

Komponenty „univerzálního“ počítače Tiskárny Disky

CPU

Měnič DVD-RW disků

Řadič disků

Řadič tiskáren

Řadič měniče DVD

Systémová sběrnice Jednotka správy paměti (MMU)

Hlavní paměť



26

Souvislost operací I/O a CPU • I/O = to co se děje mezi lokální vyrovnávací pamětí řadiče a vlastní fyzickou periferií • I/O zařízení (periferie) a CPU by měly pracovat souběžně – mnohdy řádově odlišné rychlosti – každý řadič zařízení má lokální vyrovnávací paměť, buffer

• Každý řadič zařízení je odpovědný za činnost zařízení jistého typu – periferie jsou velmi rozmanité

• Přesun dat mezi operační pamětí a lokální vyrovnávací pamětí periférie – zajišťuje CPU programovými prostředky (tzv. programový kanál) – specializovaný hardware (tzv. DMA kanál)

• Řadič zařízení informuje CPU o ukončení své činnosti přerušením A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


27

Sběrnicový pohled na počítač

Tři sekce: • datová • adresní (fyzické adresy) • služební

RAM (OP)

Arbiter sběrnice

Systémová sběrnice FA Řadič 1

MMU LAP->FAP

…

Řadič 2

LA – logické adresy Procesor


CPU

ZVV


28

Centrální jednotka počítače (CPU) CPU

Hlavní paměť

PC

MAR

IR

MBR I/O AR

ALU

I/O BR I/O Řadič

Systémová sběrnice

. . . Instrukce Instrukce Instrukce . . .

Data Data Data Data . . .

Základní pohled na nejdůležitější komponenty centrální jednotky počítače

DBR DBR CSR



29

Registry procesoru • Uživatelské registry – Uživatelsky viditelné (programově dostupné) registry – Umožňují vlastní programování a zpracování dat – Obsahují data, adresy a podmínkové kódy

• Řídicí a stavové registry – Obecně nedostupné uživatelským procesům – Procesor modifikuje svoji činnost jejich obsahem (řídicí) a vykazuje v nich svůj stav (stavové) – Některé z nich používá CPU pro řízení práce programů • Program Counter (PC) – adresa získávané instrukce (někdy též Instruction Pointer = IP)

• Instruction Register (IR) – kód instrukce přečtené z paměti • Program Status Word (PSW) – obsahuje: Bity podmínkových kódu a stavu (např. vlastnosti výsledku předchozí operace) Interrupt enable/disable bit System (kernel, supervisor)/User mode bit



30

Uživatelské registry • Uživatelské registry – Dostupné běžnými strojovými instrukcemi – Používány všemi programy (tj. aplikačními i systémovými)

• Typy uživatelských registrů – Datové – většinou univerzální použití – Adresní • Obecné adresní • Bázové registry • Segmentační registry • Indexní registry – obsahují relativní adresy • Ukazatel zásobníku (Stack pointer) • Příklady instrukcí: move.l D0,(A4)+ (MC 680*0) add.b (A1,D3),D0 A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


31

Základní instrukční cyklus CPU Přípravný cyklus

START

Výkonný cyklus

Nahrát instrukci

Instrukce stop

Vykonat instrukci

STOP Animace

• Přípravná fáze (fetch cycle) – nahrává do procesoru instrukci podle PC a umístí její kód do IR – na jejím konci se (zpravidla) inkrementuje PC • Výkonná fáze (execute cycle) – vlastní provedení instrukce – může se dále obracet (i několikrát) k paměti

→

loop: FETCH; /* ((PC)) IR */ Increment(PC); EXECUTE; /* proveď operaci dle (IR) */ end loop A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


32

Přerušení • Přerušení normální posloupnosti provádění instrukcí – cílem je zlepšení účinnosti práce systému – je potřeba provést jinou posloupnost příkazů jako reakci na nějakou „neobvyklou” událost – přerušující událost způsobí, že se pozastaví běh procesu v CPU takovým způsobem, aby ho bylo možné později znovu obnovit, aniž by to přerušený proces „poznal“

• Souběh I/O operace – Přerušení umožní, aby CPU prováděla jiné akce než instrukce programu čekajícího na konec I/O operace – Činnost CPU se později přeruší iniciativou „I/O modulu” – CPU předá řízení na obslužnou rutinu přerušení (Interrupt Service Routine) – standardní součást OS

• CPU testuje nutnost věnovat se obsluze přerušení alespoň po dokončení každé instrukci – existují výjimky (např. „blokové instrukce“ Intel) A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


33

Cyklus CPU s přerušovacím systémem • Je nevyřízená žádost o přerušení, a přerušení je povoleno – spustí se obslužný podprogram přerušení, jehož adresa se získá z vektoru přerušení Výkonný cyklus

Vektor přerušení

Přerušovací cyklus

Přerušeni zakázána

Ne Ano

Přerušeni povolena

Adresy obslužných podprogramů. Vektor indexován zdrojem přerušení

Přípravný cyklus

Aktivity při zpracování přerušení

INTF: Boolean:=False; /* Při žádostí o přerušení → True */ loop: FETCH; Increment(PC); EXECUTE; if INTF then Ulož PSW do PSWbf; Do PSW vygeneruj slovo s indikací System mode a Interrupt disabled; Ulož PSWbf na vrchol zásobníku; Ulož PC na vrchol zásobníku; Do PC zaveď obsah příslušné položky vektoru přerušení end loop A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


34

Výjimky a jejich třídy • Přerušení je speciálním případem výjimečné situace • Synchronní (s během programu) – Programové (naprogramované) • speciální instrukce (INT, TRAP)

– Generované kontrolními obvody počítače: • aritmetické přetečení, dělení nulou • pokus o vykonání nelegální či neznámé instrukce • neoprávněný pokus o přístup k paměťové lokaci (narušení ochrany paměti, virtuální paměť )

• Asynchronní (přicházející zvenčí – klasické přerušení) – I/O, časovač, hardwarové problémy (např. výpadek napájení ...)

• Kdy se na výjimečné situace reaguje? – Standardní přerušení: Po dokončení instrukce během níž vznikl požadavek – Výjimka vysoké úrovně: Během provádění instrukce (po dokončení některé fáze provádění instrukce) – instrukci nelze dokončit – Kritická výjimka: Nelze dokončit ani cyklus přenosu dat a je nutno reagovat neprodleně A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


35

Organizace I/O – 2 způsoby obsluhy • I/O operace: – Zpravidla přenos sekvence údajů – Přenos dat z I/O zařízení do OP – vstup – Přenos dat z OP do I/O – výstup

• Dva způsoby obsluhy – S aktivním čekáním (busy waiting) • v systémech bez řízení IO pomocí OS • žádné souběžné zpracovává ní I/O, nedořešený zůstává nejvýše jeden I/O požadavek • program testuje konec IO operace opakovanými dotazy na příslušný stavový registr IO zařízení

– S přerušením a OS řízeným souběžným prováděním • • • •

v systémech s řízením IO pomocí OS souběžné zpracovává ní I/O s během programu(ů) I/O operaci zahajuje OS na žádost z uživatelské ho procesu uživatelský proces čeká na dokončení I/O operace – synchronní řešení I/O • uživatelský proces nečeká na dokončení I/O operace – asynchronní řešení I/O, může běžet souběžně s I/O operací A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


36

Uživat.

Synchronní a asynchronní I/O operace

Systém .

Proces požadující I/O čeká

Událost ukončující čekáni

Proces požadující I/O pracuje

Ovladač periferie

Ovladač periferie

Obslužná rutina přerušení

Obslužná rutina přerušení

Hardware

Hardware

Datový přenos

Datový přenos

Čas

Synchronní operace

Oznámení o ukončení I/O operace

Čas

Asynchronní operace

• Synchronní operace – Obvyklé řešení

• Asynchronní operace – Obtížné programování • Výstup – relativně schůdné • Vstup: Více vyrovnávacích pamětí („houpačka“) A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


37

I/O s aktivním čekáním • CPU zahajuje elementární přenos údajů a v „dotazovací smyčce“ čeká na připravenost dat • Jednoduché • Velmi neefektivní (až na zcela výjimečné

Zadej příkaz "read" I/O řadiči

CPU→I/O

Přečti stavový registr řadiče

I/O→CPU

Nepřipraven

případy)

Analyzuj stav řadiče

• Použitelné jen v primitivních systémech bez multiprogramování

Chyba

Data platná Přečti datové slovo z datového registru řadiče

I/O→CPU

Ulož údaj do hlavní paměti

CPU→Paměť

Ne Hotovo?

Ano

Další instrukce



38

Programový I/O s přerušením • CPU inicializuje elementární přenos a věnuje se jiné činnosti • Když je údaj připraven, adapter ZVV vyvolá přerušení • Obslužná rutina přenese data mezi DBR a pamětí • Pružné – data lze při přenosu upravovat • Relativně pomalé, účast CPU, řízeno programem • Jen pro ZVV schopná práce v režimu start-stop – Zařízení schopná pozastavit přenos dat kdykoliv a na libovolně dlouhou dobu beze ztrát

Zadej příkaz "read" I/O řadiči

CPU→I/O Věnuj se jiné činnosti

Přerušení Přečti stavový registr řadiče

Analyzuj stav řadiče

I/O→CPU

Chyba

Data platná Přečti datové slovo z datového registru řadiče

I/O→CPU

Ulož údaj do hlavní paměti

CPU→Paměť

Ne Hotovo?

Ano

Další instrukce



39

Přímý přístup do paměti - DMA • Určeno pro blokové přenosy dat vysokou rychlostí • I/O přenosy se uskutečňují bez přímé účasti procesoru mezi periferním zařízením a pamětí – Procesor dovolí I/O modulu přímo číst z nebo zapisovat do operační paměti – kradení cyklů (cycle stealing) – Procesor zadá jen velikost a umístění bloku v paměti a směr přenosu – Přerušení se generuje až po dokončení přenosu bloku dat CPU


Paměť

Řadič disků


40

I/O operace s přímým přístupem do paměti • CPU zadá parametry přenosu DMA jednotce • Přenos probíhá autonomně bez účasti CPU • DMA vyvolá přerušení po ukončení přenosu bloku (nebo při chybě) • Obslužná rutina pouze testuje chybový stav a informuje OS, že přenos skončil

Zadej příkaz "block read" I/O řadiči

Přečti stavový registr DMA

CPU > DMA Věnuj se jiné činnosti

Přerušení DMA > CPU

Chyba

Analyzuj stav DMA

Další instrukce



41

Režimy práce procesoru • Dva režimy práce procesoru – Základ hardwarových ochran – Systémový = privilegovaný režim • procesor může vše, čeho je schopen

– Uživatelský = aplikační (ochranný) režim • privilegované operace jsou zakázány

– Privilegované operace • ovlivnění stavu celého systému (halt, reset, Interrupt Enable/Disable, modifikace PSW, modifikace registrů MMU ) • instrukce pro vstup/výstup (in, out)

– Okamžitě platný režim je zachycen v PSW (S-bit) Speciální instrukce

• Přechody mezi režimy – Po zapnutí systémový režim

S

U

Jakékoliv přerušení vč. synchronního A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


42

Vícenásobná přerušení • Sekvenční zpracování – během obsluhy jednoho přerušení se další požadavky nepřijímají (pozdržují se) – jednoduché, ale nevhodné pro časově kritické akce

• Vnořené zpracování – prioritní mechanismus – přijímají se přerušení s prioritou striktně vyšší, než je priorita obsluhovaného přerušení


Aplikační program

ISR 1

ISR 2


43

Postup přijímání přerušení (1) • Žádost se vyhodnotí na přípustnost (priority přerušení) • Procesor přejde do zvláštního cyklu 1. Uschová se obsah stavového slova procesoru (PSW). 2. Do PSW se vygeneruje "syntetické" stavové slovo s nastaveným S-bitem. Nyní je CPU v privilegovaném režimu 3. Uschované původní PSW uloží na zásobník. Na zásobník se uloží i čítač instrukcí PC (tzv. rámec přerušení). 4. PC se nahradí hodnotou z vektoru přerušení, indexovaného zdrojem přerušení.



44

Postup přijímání přerušení (2) • Procesor přechází do normálního režimu práce a zpracovává obslužnou rutinu přerušení – Obslužná rutina musí být transparentní – Obslužnou rutinu končí instrukce „návrat z přerušení“ (IRET, RTE) mající opačný efekt: z vrcholu zásobníku vezme položky, které umístí zpět do PC a PSW

• Při vhodném naformulování položek na vrcholu systémového zásobníku se instrukce návratu z přerušení používá pro přechod ze systémového do uživatelského režimu



45

Hierarchie pamětí (1) Typická přístupová doba

Energeticky závislé (volatile)

Typická kapacita

1 ns

Registry

3 ns

Cache

50 ns

Hlavní paměť

32 MB – 16 GB

Pevný magnetický disk

5 – 4000 GB

Magnetická páska

20 – 1000 GB

Energeticky 10 ms nezávislé (persistent) 100 s

< 1 KB < 16 MB

• Hierarchie pamětí z pohledu rychlosti a kapacity – uvedená čísla představují pouze hrubá přiblížení – směrem dolů klesá rychlost i „cena za 1 bit“

• Typy prvků používaných v hlavní paměti – RAM, ROM, EEPROM, CMOS-RAM A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


46

Hierarchie pamětí (2) • Typické údaje Úroveň

1

2

3

4

Označení

registry CPU

cache

hlavní paměť

disk

Typická velikost

≤ 1 KB

≤ 16 MB

≤ 8 GB

> 100 GB

Uvnitř CPU (CMOS)

CMOS SRAM

CMOS DRAM

magnetický disk

~ 0,5 ns

1 – 25 ns

80 – 500 ns

Technologie Přístupová doba Spravováno Obsah zálohován A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014

„překladačem“ hardwarem v cache

v hlavní paměti

~ 5 ms

operačním systémem

operačním systémem

na disku

na DVD, magnetické pásce, apod.


47

Caching, cache paměti (1) • Caching je princip používaný v OS velmi často – části obsahu pomalejší paměti s vyšší kapacitou jsou podle potřeby dočasně kopírovány do paměti rychlejší

• Mezipaměť ležící mezi CPU a hlavní pamětí – Transparentní pro operační systém i pro programátora – Je mnohem rychlejší než operační (hlavní) paměť – Mikroprogramem řízené kopírování informací z hlavní paměti do cache paměti po blocích – Princip časové a prostorové lokálnosti běžných programů – Problém udržení konzistence více kopií těchže dat v multiprocesorových systémech CPU

Cache Jednoslovní přenosy

CPU A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014

Blokové přenosy

Hlavní paměť

Cache


48

Caching, cache paměti (2) • Velikost cache – čím větší, tím častěji se najdou požadovaná data v cache, ale také roste cena

• Velikost přenosového bloku – kompromis: – velké bloky = dlouhé přenosy – malé bloky = časté přenosy

• Mapovací funkce – kam přijde blok do cache

• Nahrazovací algoritmus: – určuje, který blok v cache bude nahrazen – Least-Recently-Used (LRU) algoritmus

• Analogie – hardwarově realizované principy původně vyvinuté pro virtuální paměť



49

Struktura diskové jednotky

• Třírozměrná adresa bloku: cylindr, povrch, sektor • Moderní LBA (lineární adresování bloků) A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


50

Bezpečnostní mechanismy v hardware • Základní opatření – Dva režimy práce procesoru(ů) – Vstup a výstup: Povinné a uživatelským režimem vynucené volání služeb OS • I/O instrukce jsou privilegované

– Uživatelský program nikdy nesmí získat možnost práce v privilegovaném režimu • Např. nesmí mít možnost zapsat do PSW a změnit tak režim práce CPU (S-bit v PSW) nebo modifikovat vektor přerušení

• Ochrana paměti • Musí zabezpečit izolaci jádra OS i aplikačních programů navzájem – Souvisí s metodami správy paměti a zobrazováním LAP do FAP

• Ochrana dostupnosti CPU – Prevence před převzetím vlády jednoho aplikačního programu nad CPU – Řešení: časovač (timer) • V pravidelných (privilegovaně programovatelných) intervalech vyvolává přerušení, a tak je aktivováno jádro OS • Mnohdy realizován jako „periferní zařízení“ • O přerušení od časovače se opírají mechanismy plánování procesoru(ů) A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


51

Struktura standardního PC



52

Dotazy A3B33OSD (J. Lažanský) verze: Jaro 2014


53

Operačnísystémy a databáze

Recommend Documents