Upload
sera
View
28
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
4. přednáška26. 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)
Řídící jednotka
Procesor
Periferie Periferie
I/O procesor(kanál)
Procesor
Řídící jednotka
“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 pamětiprovede autonomní test počítače (POST Power On Self Test)inicializuje komponentyv konečné fázi spouští OS
BIOS
Virtuální počítač
Holý počítač
Programy jádraoperačního
systému
Proces 1
Proces 4Proces 2
Proces 3
Uživatelské programy
Virtuální počítač
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
Interruptprocessing
Device driver
Job sequencing
Control languageinterpreter
Userprogramarea
Memory Layout for a Resident Monitor
Monitor
Boundary
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)
Efekt multiprogramování na využití zdrojů
JOB1 JOB2 JOB3
Typ úlohy Heavy compute Heavy I/O Heavy I/O
Délka 5 min. 15 min. 10 min.
Požadavek na paměť 50 K 100 K 75 K
Potřeba disku Ne Ne Ano
Potřeba terminálu Ne Ano Ne
Potřeba tiskárny Ne Ne Ano
Uniprogramming Multiprogramming
Využití procesoru 22% 43%
Využití paměti 30% 67%
Využití disku 33% 67%
Využití tiskárny 33% 67%
Spotřebovaný čas 35 min. 20 min.
Výkon 6 jobs/hod. 9 jobs/hod.
Průměrná odezva 18 min. 10 min.
Utilization Histogram
0 5 20 30251510
0 5 1510čas [min]
čas [min]
100%
0%
100%
0%
100%
0%
100%
0%
100%
0%
CPU
Paměť
Disk
Terminál
Tiskárna
Job2
Job3
Job1
100%
0%
100%
0%
100%
0%
100%
0%
100%
0%
Výpočet využití procesoru
Čtení záznamu ze souboru 15 sProvedení 100 instrukcí 1 sZápis záznamu do souboru 15 sSoučet 31 s
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
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
Time-Sharing Systems
Batch Multiprogramming
Time Sharing
Hlavní účel Maximalizovat užití procesoru
Minimalizovat čas odezvy
Zdroj příkazů pro OS Příkazy JCL Příkazy zadávané z terminálu
Multiprogramování
RunA
RunB
RunB
Wait
WaitWait
čas
RunB
RunB
Wait Wait
čas
RunA
RunA
RunA
Wait
čas
Uniprogramming
Multiprogramming se dvěma programy
Multiprogramming se třemi programy
RunC
RunC
RunA
RunA
Multiprocessing
Interleaving (multiprogramming, one processor) - prokládání
Proces1
Proces2
Proces3
běží
blokován
Proces1
Proces2
Proces3
Overlapping (multiprocessing, three processors) - překrývání
běží
blokován
jeden procesor
tři procesory
čas
čas
Počítačový systém- hardware („holý počítač“)- operační systém- aplikační programy (překladače, hry, databázové systémy, systémové nástroje, …)- uživatelé
Paralelní systémyMultiprocesorový systém obsahuje více procesorů (p > 1) sdílejících společnou paměť, sběrnice, hodiny a periferie. Paralelní systémy dělíme na symetrické a asymetrické.
Počítačové systémy
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
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.
Multiprocessing
Architektura SMP
L1
L2
Processor
L1
L2
Processor
L1
L2
Processor. . .
Main memory
I/O adapter
I/O adapter
I/O adapter
I/Osubsystem
System bus
Distribuované systémyKlasické – 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.
Distribuované a agentové systémy
Paralelismus - distribuovanost
paměť
procesor procesor procesor procesor
distribuce dat a řízení
PMem
PMem
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 systémyVelmi 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, multiprocessingStřednězrnný – multitasking, sledy v rámci jednoho procesu v časté interakci, multiprogrammingJemnozrnný – paralelní řešení operací (maticové procesory), stejná operace na datech
Distribuovaný systém
Paralelní systém