Struktura systemów komputerowych

(1)

4.1

Struktura systemów komputerowych



Działanie systemu komputerowego



Struktury WE/WY



Struktura pamięci



Hierarchia pamięci



Ochrona sprzętowa



Ogólna architektura systemu

Wykład 4, Systemy operacyjne (studia zaoczne) PJWSTK, Adam Smyk, 2016/ 17

4.2

Architektura systemu komputerowego

4.3

Architektura systemu komputerowego

4.4

Architektura systemu komputerowego .

CISC, RISC?

http://ark.intel.com/

(2)

4.7

http://www.notebookcheck.net/Core-i7-3960X-and-i7-2700K-Desktop-CPUs-in-Review.67771.0.html

4.8

Najważniejsze cechy funkcjonowania systemu komputerowego



Urządzenia we/wy oraz CPU mogą działać współbieżnie



Każdy sterownik we/wy zarządza urządzeniem danego typu



Każdy sterownik we/wy posiada lokalny bufor



CPU przesyła dane z/do pamięci głównej do/z lokalnych buforów



Operacje we/wy odbywają się z urządzeń do ich lokalnych buforów



Sterownik urządzenia informuje CPU o zakończeniu operacji we/wy za pomocą przerwań

4.9

Ogólne funkcje architektury przerwań



Przerwanie powoduje przekazanie sterowania do procedury obsługi przerwań, z użyciem tzw. wektora przerwań - tablicy zawierającej adresy procedur obsługujących przerwania



System, w którym nastąpiło przerwanie musi zapamiętać i przechować adres (i inne informacje) przerwanego rozkazu (stos systemowy)



Nowe przerwania przychodzące podczas obsługi bieżącego przerwania są zwykle wyłączone (opóźniane do czasu, aż system upora się z bieżącym przerwaniem), aby nie utracić bieżącego przerwania

W nowszych systemach jest możliwość przerwania przerwań na bazie priorytetów przerwań

 Pułapka ( trap ) czyli wyjątek jest rodzajem przerwań generowanych przez oprogramowanie w wyniku błędu (np. dzielenie przez zero, niewłaściwy dostęp do pamięci) lub specjalnego zamówienia z programu użytkownika.

 System operacyjny jest sterowanym przerwaniami

4.10

Obsługa przerwań



SO zachowuje stan CPU przez zapamiętanie zawartości rejestrów i licznika rozkazów .



Określa typ przerwania jakie nastąpiło przez:

odpytywanie , tzn. badanie stanu wszystkich urządzeń we/wy - polling

wektorowy system przerwań



Segmenty kodu programu określają jakie działania muszą być podjęte dla każdego typu przerwań

Wykres czasowy przerwań procesu

wykonującego operację wyjścia Hierarchia pamięci

 Hierarchia pamięci wg.:

Szybkości

Wielkości

Kosztu

Ulotności

 Stosowanie pamięci podręcznej - kopiowanie informacji do szybszych rodzajów pamięci; pamięć operacyjną można uznać za szybszą pamięć podręczną dla pamięci pomocniczej.

(3)

4.13

Hierarchia urządzeń pamięciowych

4.14

Przeniesienie z dysku do rejestru

4.15

Ochrona sprzętowa



SO nadzoruje wykorzystanie istniejących zasobów przez uruchomione procesy



Dualny tryb operacji



Ochrona wejścia-wyjścia



Ochrona pamięci



Ochrona jednostki centralnej

4.16

Dualny tryb operacji

 Dzielenie zasobów systemu wymaga od systemu operacyjnego gwarancji, że nieprawidłowy program nie spowoduje nieprawidłowego działania innych programów.

 Sprzęt posiada środki pozwalające na rozróżnianie rozmaitych trybów pracy:

1. Tryb użytkownika

2. Tryb monitora (nadzoru)

Dualny tryb operacji cd.

 W sprzęcie istnieje bit, którego stan wskazuje na bieżący tryb pracy: monitora (0) lub użytkownika (1).

 Za każdym razem po wystąpieniu pułapki lub przerwania sprzęt zmienia tryb pracy z trybu użytkownika na tryb monitora.

Rozkazy uprzywilejowane (np.: zmiana trybu procesora) mogą być wydane tylko w trybie monitora.

monitor użytkownik

przerwanie/błąd

ustaw tryb użytkownika

Dualny tryb operacji cd.



dualny tryb działania komputera jest uzupełniany

za pomocą środków sprzętowych

umożliwiających monitorowanie wykonania

potencjalnie niebezpiecznych rozkazów -

rozkazów uprzywilejowanych wykonywanych

tylko w trybie monitora.

(4)

4.19

Ochrona wejścia-wyjścia

 Wszystkie rozkazy WE/WY są

uprzywilejowane (użytkownicy nie mogą ich używać bezpośrednio, lecz tylko za pośrednictwem SO)

 Należy mieć pewność, że program użytkownika nigdy nie przejmie kontroli nad komputerem w trybie pracy monitora (np. poprzez umieszczenie nowego adresu w wektorze przerwań)

4.20

Użycie wywołania systemowego do przeprowadzenia operacji We/Wy

Program Użytkownika Odwołanie do

zadania N-tego Odczytanie

Zadanie

N-te Rezydentny

Monitor

Operacja We/Wy

Zwrócenie do użytkownika Pułapka

do monitora

4.21

Ochrona pamięci

 Konieczna jest ochrona pamięci przynajmniej dla wektora przerwań i programów obsługujących przerwania.

 Aby zapewnić ochronę pamięci, dodaje się dwa rejestry, które określają rozpiętość adresów, do których program ma dostęp:

Rejestr bazowy – przechowuje najniższy dozwolony adres pamięci fizycznej.

Rejestr limitu – przechowuje rozmiar zasięgu

 Pamięć spoza tych ram jest chroniona.

4.22

Użycie rejestru bazowego i limitu

Zadanie 1

Zadanie 2

Zadanie 3

Zadanie 4

Rejestr bazowy

Rejestr limitu

Sprzętowa ochrona adresów

 System operacyjny pracujący w trybie monitora ma nieograniczony dostęp zarówno do pamięci monitora, jak i użytkownika.

 Instrukcje wczytywania dla limitu bazowego i limitu są instrukcjami uprzywilejowanymi.

(5)

4.25 4.26

4.27

Ochrona procesora przed zawłaszczeniem



W celu ochrony procesora przed zawłaszczeniem procesora wykorzystywany jest tzw. zegar:



Zegar jest zmniejszany przy każdym takcie zegara.



Kiedy zegar osiąga wartość 0, następuje przerwanie.



W trakcie obsługi przerwania SO może wstrzymać właśnie wykonywany proces, a uruchomić inny …



Zegar jest powszechnie używany do obsługi podziału czasu.



Używany też do wyliczania aktualnego czasu.



Programowanie zegara jest instrukcją uprzywilejowaną.

4.28

Wykład 4: Procesy

 Ogólne składowe systemu – część 1

 Koncepcja procesu

 Planowanie procesów

 Operacje na procesach

 Procesy współpracujące – przykład

 Komunikacja międzyprocesowa

 Wielowątkowość

Wykład 4, Systemy operacyjne (studia zaoczne) PJWSTK, Adam Smyk, 2016/17

Ogólne składowe systemu



Istnieje kilka dogodnych sposobów patrzenia na SO:

 poprzez przegląd świadczonych przez system usług

 Interfejs, który system udostępnia użytkownikom i programistom

 poszczególne części systemu i ich wzajemne powiązania



Współczesne SO zawierają następujące części składowe:

 zarządzanie procesami

 zarządzanie pamięcią operacyjną

 zarządzanie plikami

 zarządzanie systemem we/wy

 zarządzanie pamięcią pomocniczą

 praca sieciowa

 system ochrony

 system interpretacji poleceń

Ogólne składowe systemu



 ….

 Nośnikiem każdego procesu jest zawsze w efekcie jakiś system fizyczny.

 Każdy kolejny stan/zmiana systemu spowodowana jest przez stan/zmianę poprzednią albo przez oddziaływanie zewnętrzne na system.

 Z punktu widzenia najbardziej ogólnego, tzn. systemowego, rozróżniamy procesy ciągłe i dyskretne.

Zgodnie z pl.wikipedia.org:

Proces to uporządkowany w czasie ciąg zmian i stanów zachodzących po sobie.

(6)

4.31

Ogólne składowe systemu



 ….

Wyróżniamy też procesy naturalne i sztuczne.

Procesami naturalnymi zajmują się nauki przyrodnicze (fizyka, chemia, biologia, itd.)

Procesami sztucznymi zajmuje się inżynieria i nauki społeczne.

Zgodnie z pl.wikipedia.org:

Procesy ciągłe to takie gdzie na dowolnym skończonym odcinku czas możemy wyróżnić nieskończoną liczbę zmian a różnice między nimi są dowolnie małe.

Takie procesy opisują wiele podstawowych zjawisk fizycznych.

Procesy dyskretne to takie w których możemy wyróżnić skończoną liczbę zdarzeń/stanów.

4.32

Składowe systemu

Zarządzanie procesami



Program jest pasywną reprezentacją procesu - jeden wykonywany program rodzi wiele procesów



Proces to program, który jest wykonywany w sposób sekwencyjny, a podczas jego wykonywania licznik rozkazów określa następną instrukcję wykonania



Proces wymaga określonych zasobów, w tym czasu procesora, pamięci, plików, urządzeń WE/WY

4.33

Zarządzanie procesami

W odniesieniu do zarządzania procesami SO odpowiada za:



tworzenie i usuwanie zarówno procesów użytkowych, jak systemowych



wstrzymywanie i wznawianie procesów



dostarczanie mechanizmów



synchronizacji procesów



komunikacji procesów



obsługi zakleszczeń

4.34

Koncepcja procesu

 System operacyjny wykonuje różnorodne programy :

System wsadowy – zadania (jobs)

Systemy z podziałem czasu – bieżące programy użytkownika (tasks)

 Terminy zadanie i proces są stosowane prawie zamiennie,

 Proces – program w trakcie wykonywania; jego wykonanie musi przebiegać sekwencyjnie.

 Proces zawiera:

Licznik rozkazów (adres ostatnio wykonywanej instrukcji)

Zawartość rejestrów procesu

Wskaźnik stosu

Przestrzeń adresową:

Kod procesu – sekcja tekstu

Dane zainicjalizowane – sekcja danych

Dane niezainicjalizowane

Stos procesu – przechowuje dane tymczasowe (parametry procedur, adresy powrotne, zmienne tymczasowe)

Model procesów

 Na procesy można patrzeć z punktu widzenia:

A

B

C

B

D czas

1) Sprzętu (procesora) (jeden licznik rozkazów)

A B C

B

D 2) Systemu operacyjnego

(wiele liczników rozkazów)

A

B C

B D 3) Dostępności zasobów

Stan procesu

 Wykonujący się proces zmienia swój stan, wyróżniamy stany

nowy : proces zostaje utworzony.

aktywny : instrukcje są wykonywane.

oczekujący : proces czeka na wystąpienie jakiegoś zdarzenia (np. zakończenie operacji WE/WY).

gotowy : proces czeka na przydział procesora.

zakończony : proces zakończył działanie.

 Diagram stanów procesu nowy

gotowy aktywny

zakończony

oczekujący

Przyjęcie Przerwanie Wyjście

Decyzja planista

Oczekiwanie na zdarzenie lub na wykonanie

Operacji we/wy Zakończenie obsługi zdarzenia

lub operacji we/wy

(7)

4.37

Blok kontrolny procesu

(ang. process control block PCB) Informacje związane z każdym procesem zawarte są

w bloku kontrolnym procesu:

 Stan procesu – gotowy …..

 Licznik rozkazów - Licznik ten wskazuje adres następnego rozkazu do wykonania w procesie

 Rejestry procesora - Liczba i typy rejestrów zależą od architektury komputera; są tu akumulatory, rejestry indeksowe, wskaźniki stosu, rejestry ogólnego przeznaczenia oraz rejestry warunków. Informacje dotyczące tych rejestrów i licznika rozkazów muszą być przechowywane podczas przerwań, aby proces mógł być później poprawnie kontynuowany.

 Informacje o planowaniu przydziału procesora - Należą do nich: priorytet procesu, wskaźniki do kolejek przyporządkowujących zamówienia, a także inne parametry planowania.

wskaźnik stan procesu

numer procesu licznik rozkazów

rejestry

ograniczenia pamięci lista otwartych plików

. . .

4.38

Blok kontrolny procesu (PCB)

 Informacje o zarządzaniu pamięcią - Mogą to być informacje takie, jak zawartości rejestrów granicznych, tablice stron, lub tablice segmentów - zależnie od systemu pamięci używanej przez SO.

 Informacje do rozliczeń - Do tej kategorii informacji należy ilość zużytego czasu procesora i czasu rzeczywistego, ograniczenia czasowe, numery zadań lub procesów itp.

 Informacje o stanie WE/WY - Mieszczą się tu informacje o urządzeniach WE/WY (np. o jednostkach dyskowych) przydzielonych do procesu, wykaz otwartych plików itd.

wskaźnik stan procesu

numer procesu licznik rozkazów

rejestry

ograniczenia pamięci lista otwartych plików

. . .

4.39

w skaźnik stan procesu numer procesu licznik rozkazów

rejestry

ograniczenia pamięci lista otw artych plików . . .

wskaźnik stan procesu numer procesu licznik rozkazów rejestry

ograniczenia pamięci lista otwartych plików . . . w skaźnik stan

procesu numer procesu licznik rozkazów

rejestry

ograniczenia pamięci lista otw artych plików . . . w skaźnik stan

rejestry

wskaźnik stan procesu numer procesu licznik rozkazów rejestry

ograniczenia pamięci lista otwartych plików . . . w skaźnik stan

rejestry

Przełączanie kontekstu

 Gdy CPU przełącza się do innego procesu, system musi przechować stan starego procesu i załadować przechowywany stan nowego procesu – nazywa się to przełączaniem kontekstu.

 Czas przełączania kontekstu jest obciążeniem dla systemu, które nie jest związane z żadną użyteczną pracą.

 Czas ten zależy w dużym stopniu od możliwości sprzętu.

4.40

Przełączanie kontekstu

Proces P0 system operacyjny Proces P₁

zapisz stan do PCB0

załaduj stan z PCB1

zapisz stan do PCB1

załaduj stan z PCB0 przerwanie albo funkcja systemowa przerwanie albo funkcja systemowa

wykonywanie

wykonywanie wykonywanie

bezczynny

Planowania procesów

 Celem wieloprogramowania jest jak najlepsze wykorzystanie procesora - powinien on zawsze wykonywać jakiś proces.

 W podziale czasu przełączanie procesora do procesów powinno następować tak często, aby każdy z wykonywanych procesów mógł współpracować z użytkownikami w sposób interaktywny.

 Kolejki:

Kolejka zadań – zbiór wszystkich procesów systemu.

Kolejka procesów gotowych – zbiór wszystkich procesów, które oczekują w pamięci głównej, gotowych i czekających na wykonanie.

Kolejki do urządzeń – zbiór procesów oczekujących na urządzenia WE/WY.

 Migracja procesów między różnymi kolejkami.

Kolejki procesów gotowych do wykonania i kolejki do różnych urządzeń we/wy

Taśma magnetyczna

początek koniec

początek

koniec rejestry

rejestry rejestry rejestry

rejestry rejestry

PCB3 PCB14 PCB6

PCB5

PCB7 PCB2

nagłówek kolejki Kolejka

procesów gotowych

Jednostka 0

Jednostka 1

dysk Jednostka 2

terminal Jednostka 3

(8)

4.43

Migracja procesów między kolejkami systemu

Po przydzieleniu procesowi procesora może wystąpić jedno z następujących zdarzeń:

 proces może zamówić operację WE/WY, wskutek czego trafia do kolejki procesów oczekujących na WE/WY

 proces może utworzyć nowy podproces i oczekiwać na jego zakończenie

 w wyniku przerwania proces może zostać przymusowo usunięty z procesora z powrotem do kolejki procesów gotowych

4.44

Planiści

W celu planowania działań SO musi w jakiś sposób wybierać procesy z kolejki; selekcji dokonuje proces systemowy zwany planistą (ang.

scheduler)

 Planista długoterminowy – wybiera procesy przechowywane w pamięci masowej (dysk) i ładuje je do pamięci, do kolejki zadań (procesów gotowych) .

 Planista krótkoterminowy (CPU scheduler) – wybiera jeden proces, który ma być wykonywany jako następny i przydziela mu procesor.

4.45

Planiści (c.d.)

 Planista krótkoterminowy musi bardzo często wybierać nowy proces dla procesora (millisekundy)  musi być szybki.

 Planista długoterminowy działa rzadko (sekundy, minuty)  może być wolniejszy.

 Planista długoterminowy nadzoruje stopień wieloprogramowości.

 Procesy można przedstawić jako:

 Procesy ograniczone przez WE/WY – spędzają więcej czasu wykonując operacje WE/WY niż na obliczeniach, wiele krótkich okresów aktywności procesora.

 Procesy ograniczone przez dostęp do procesora – większość czasu spędzają na wykonywaniu obliczeń; kilka długich okresów aktywności procesora.

 Planista długoterminowy musi dobrać dobrą mieszankę procesów.

 W niektórych SO z podziałem czasu może występować pośredni poziom planowania ==> planista pośredni.

4.46

Planista pośredni

(występuje w niektórych systemach)

Kolejka procesów gotowych

Kolejka procesów oczekujących na operację wejścia-wyjścia

CPU

WE/WY

Koniec Usuń z pamięci Sprowadź z pamięci