4. přednáška
Download
1 / 21

4. přednáška 26. 2. 2013 holý počítač, BIOS, virtuální počítač vývoj operačních systémů - PowerPoint PPT Presentation


  • 88 Views
  • Uploaded on

4. přednáška 26. 2. 2013 holý počítač, BIOS, virtuální počítač vývoj operačních systémů multiprocessing paralelní systémy Studijní materiály najdete na adrese: http://www.uai.fme.vutbr.cz/~vdumek/. Operační paměť. I/O procesor (kanál). I/O procesor (kanál). Procesor. Procesor.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' 4. přednáška 26. 2. 2013 holý počítač, BIOS, virtuální počítač vývoj operačních systémů' - sera


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

  • 4. přednáška

  • 26. 2. 2013

  • holý počítač, BIOS, virtuální počítač

  • vývoj operačních systémů

  • multiprocessing

  • paralelní systémy

  • Studijní materiály najdete na adrese:

  • http://www.uai.fme.vutbr.cz/~vdumek/


Operační paměť

I/O procesor

(kanál)

I/O procesor

(kanál)

Procesor

Procesor

Řídící jednotka

Řídící jednotka

Periferie

Periferie

“Holý” počítač


BIOS – Basic Input Ouput System

  • základní souhrn instrukcí a funkcí nutných pro spuštění počítače

  • propojuje HW a SW

  • je tvořen sadou ovladačů základních komponent systému

  • BIOS sděluje informace o HW, který je v počítači a OS říká, jak s ním má nejlépe pracovat, jaké má potíže

  • první vrstva BIOSu v ROM (informace pro základní používání komponent, typ pamětí, typ procesoru), druhá vrstva v čipu CMOS (nastavení prováděná v menu), třetí vrstva jsou ovladače zaváděné v průběhu spouštění OS

  • po zapnutí: nastaví konfiguraci počítače z CMOS paměti

    • provede autonomní test počítače (POST Power On Self Test)

    • inicializuje komponenty

    • v konečné fázi spouští OS



Virtuální počítač

Uživatelské programy

Proces 1

Proces 3

Virtuální počítač

Holý počítač

Proces 4

Proces 2

Programy jádra

operačního systému


Vývoj operačních systémů

1940 – polovina 50. let

přímá interakce programátora s technickým vybavením, programátor a operátor v jedné osobě, bez operačního systému, absolutní zavaděč, konzola, děrné štítky a děrná páska, kontrolky, nízké využití drahého HW, dva hlavní problémy: plánování (každý uživatel si musel vyhradit strojový čas pro svůj výpočet (zápis do nějakého seznamu), často docházelo k jeho nedodržení), přípravný čas (provádění programu (job) zahrnovalo loading zdrojového kódu, linkeru spolu s různými funkcemi, každý z těchto kroků znamenal mount a dismount pásky nebo čtení sady děrných štítků, výskyt chyby znamenal znovu začátek), éra sériového zpracování (Serial Processing), v průběhu času byly zavedeny nástroje pro zlepšení sériového zpracování, byly vyvinuty různé SW nástroje pro zefektivnění práce (knihovny, linkers, loaders, debuggers, I/O driver routines, ...)


Vývoj operačních systémů

1955 – 1965

počítače byly velice drahé a bylo nezbytné zvýšit jejich využití, zbytečné prostoje během přípravných prací byly neakceptovatelné, pro zvýšení využití se zavedly jednoduché dávkové systémy (Simple Batch Systems), prvním byl IBSYS pro počítače IBM, objevuje se první operační systém – monitor, byl rezidentně umístěný v paměti, jazyk k provádění instrukcí monitoru – JCL (Job Control Language) zásoboval monitor instrukcemi, procesorový čas tak alternoval mezi monitorem a uživatelským programem, bylo to za cenu dvou obětí: monitor zabíral paměť a pro provádění monitoru je spotřebováván strojový čas, využití procesoru je však zvýšeno


Memory Layout for a Resident Monitor

Interrupt

processing

Device driver

Monitor

Job sequencing

Control language

interpreter

Boundary

User

program

area


Vývoj operačních systémů

od první poloviny 60. let

Během jednoduchého dávkového zpracování je procesor často nečinný (idle). Problémem je rychlost I/O zařízení, na která se musí čekat. Z tabulky vyplývá, že téměř 96% času se spotřebuje čekáním na I/O operaci a přenos dat do souboru. Pokud máme dostatek paměti pro monitor a uživatelské programy, můžeme mezi nimi alternovat (provést je „najednou“). Takový způsob je známý jako Multiprogrammed Batch Systems (dávkové zpracování s multiprogramováním), multitasking, výhody jsou patrné z porovnání utilizačních histogramů, multiprogramování musí počítat s HW předpoklady (IRQ, DMA, MMU)



Job1

Utilization Histogram

Job2

Job3

100%

0%

100%

0%

CPU

100%

0%

100%

0%

Paměť

100%

0%

100%

0%

Disk

100%

0%

100%

0%

Terminál

100%

0%

100%

0%

Tiskárna

0

5

10

15

20

25

30

0

5

10

15

čas [min]

čas [min]


Výpočet využití procesoru

Čtení záznamu ze souboru 15 ms

Provedení 100 instrukcí 1 ms

Zápis záznamu do souboru 15 ms

Součet 31 ms

Percent CPU Utilization = 1/31 = 0,032 (3,2%)


Vývoj operačních systémů

od druhé poloviny 60. let

Pro většinu úloh je žádoucí nabídnout uživateli možnost interakce s výpočtem, nejprve pro sálové počítače, dnes zcela samozřejmá pro všechny kategorie počítačů. Jedná se o systémy se sdílením času TSS (Time Sharing Systems), jedná se také o multiprogramové systémy, v rámci multitaskingu je provozováno více úloh různých uživatelů, prvním TSS byl CTSS (Compatible Time Sharing System) MAC (Multiple Access Computer) pro počítač IBM 709 v roce 1961, zavedení TSS (multiprogramování) přineslo řadu nových problémů pro OS, jedná se o ochranu paměti, ochranu souborového systému, soupeření o zdroje, ...

1980 – současnost

osobní počítače, pracovní stanice, inteligence do koncových zařízení, počítačové sítě, paralelní systémy


Time-Sharing Systems

dávkové OS nepodporovaly interakci s uživateli, TSS rozšiřuje pojem multiprogramování na správu více interaktivních úloh, procesor je sdílen více uživateli (podle výkonu systému o sobě uživatelé nemusí vědět), objevuje se chráněný systém souborů

- prvním TSS byl CTSS pro počítač IBM 709 v roce 1961


Multiprogramování

Uniprogramming

Run

A

Run

A

Wait

Wait

čas

Multiprogramming se dvěma programy

Run

A

Run

B

Run

A

Run

B

Wait

Wait

čas

Multiprogramming se třemi programy

Run

A

Run

B

Run

C

Run

A

Run

B

Run

C

Wait

Wait

čas


Interleaving (multiprogramming, one processor) - prokládání

Proces1

Proces2

běží

Proces3

blokován

Overlapping (multiprocessing, three processors) - překrývání

Proces1

Proces2

běží

Proces3

blokován

Multiprocessing

čas

jeden procesor

čas

tři procesory


Počítačové systémy prokládání

Počítačový systém

- hardware („holý počítač“)

- operační systém

- aplikační programy (překladače, hry, databázové systémy, systémové nástroje, …)

- uživatelé

Paralelní systémy

Multiprocesorový systém obsahuje více procesorů (p > 1) sdílejících společnou paměť, sběrnice, hodiny a periferie. Paralelní systémy dělíme na symetrické a asymetrické.

Distribuovaný systém – paralelismus procesů, volně vázané systémy, více FAP, komunikace periferními operacemi, každý procesor má vlastní paměť a hodiny

Paralelní systém – skutečný paralelismus procesů, těsně vázané systémy, společný FAP, sdílí se hodiny, vyšší propustnost a spolehlivost


Multiprocessing prokládání

  • Symetrický multiprocessing (SMP)

  • používá rovnocenné univerzální procesory (vlastní časování, ALU, registry), každý procesor má přístup do hlavní paměti a prostřednictvím sběrnice k I/O zařízením, procesory spolu mohou komunikovat prostřednictvím paměti (sdílení) nebo zpráv, na každém běží část operačního systému. Procesy se procesoru přidělují jako celky, někdy se proces může dělit na samostatné části – vlákna (thread). Potom se i vlákna mohou přidělovat jednotlivým procesorům. Dělení procesů na vlákna vede při použití víceprocesorových počítačů ke zrychlení výpočtu. Se systémovými strukturami může pracovat více procesorů. Plánování je provedeno pro každý procesor, důraz je kladen na synchronizaci procesů (sledů).

  • Asymetrický multiprocessing (ASMP)

  • uplatňuje mezi procesory vztah master – slave, ty nemusí být stejného typu (vektorový počítač Convex, 128 procesorů, speciální SW). ASMP funguje i pro počítače PC pro specializované procesory (FPU – pro pohyblivou čárku, grafika, zvuková karta, …). Řízení zajišťuje CPU – centrální (univerzální) procesor. Pouze jeden procesor smí pracovat se systémovými datovými strukturami. Jsou jednodušší, není potřeba zajišťovat sdílení systémových struktur, nevýhodou je nižší pružnost a výkonnost.


Architektura SMP prokládání

Processor

Processor

Processor

. . .

L1

L1

L1

L2

L2

L2

System bus

I/O adapter

I/O

subsystem

Main memory

I/O adapter

I/O adapter


Distribuované a agentové systémy prokládání

Distribuované systémy

Klasické – procesory jsou méně vázané, jde vlastně o samostatné počítače (uzly) spojené pomocí komunikační sítě. Důvody pro budování distribuovaných systémů:

- sdílení zdrojů

- urychlení výpočtů

- zvýšení spolehlivosti (porovnání výsledků, uložení souborů na více místech, …)

Mezi paralelními systémy a klasickými distribuovanými systémy se nachází počítačový cluster. Ten umožňuje efektivní spojení výkonu více počítačů, nejen jejich procesorů. Navzájem jsou propojeny vysokorychlostní sítí.

Agentové systémy

- jsou vázány volněji než klasické distribuované systémy. Agenti se skládají z jádra (programu) a komunikační obálky pro umožnění komunikace s jinými agenty. Agent je samostatný systém schopný spolupracovat s jinými systémy. Na rozdíl od přesně organizovaného distribuovaného systému jsou agentové systémy schopné v případě potřeby přibrat další agenty ke spolupráci.


paměť prokládání

procesor

procesor

procesor

procesor

Paralelismus - distribuovanost

Paralelní systém – skutečný paralelismus procesů, těsně vázané systémy, společný FAP, sdílí se hodiny, vyšší propustnost a spolehlivost

Distribuovaný systém – paralelismus procesů, volně vázané systémy, více FAP, komunikace periferními operacemi, každý procesor má vlastní paměť a hodiny

Nezávislý – běží samostatné procesy, žádná synchronizace, víceuživatelské systémy

Velmi hrubozrnný – distribuované zpracování v síti (řešení jedné komplexní úlohy) řídká interakce mezi procesy (omezení síťové režie)

Hrubozrnný – běh více procesů na více procesorech, jeden FAP, multiprocessing

Střednězrnný – multitasking, sledy v rámci jednoho procesu v časté interakci, multiprogramming

Jemnozrnný – paralelní řešení operací (maticové procesory), stejná operace na datech

Paralelní systém

Distribuovaný systém

distribuce dat a řízení

Mem

Mem

P

P


ad