4. přednáška 26. 2. 2013 holý počítač, BIOS, virtuální počítač vývoj operačních systémů

1. 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/

2. Operační paměť I/O procesor (kanál) I/O procesor (kanál) Procesor Procesor Řídící jednotka Řídící jednotka Periferie Periferie “Holý” počítač

3. 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

4. BIOS

5. Virtuální počítač Uživatelské programy Proces 1 Proces 3 Virtuální počítač Holý počítač Proces 4 Proces 2 Programy jádra operačního systému

6. 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, ...)

7. 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

8. Memory Layout for a Resident Monitor Interrupt processing Device driver Monitor Job sequencing Control language interpreter Boundary User program area

9. 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)

10. Efekt multiprogramování na využití zdrojů

11. 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]

12. 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%)

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. Počítačové systémy 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

18. Multiprocessing • 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.

19. Architektura SMP 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

20. Distribuované a agentové systémy 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.

21. paměť 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