Primjena računala. Preddiplomski studij računarstva 2010/2011. prof.dr.sc. Ivo Ipšić PRIMJENA RAČUNALA 2010/2011

Transcription

1 Primjena računala Preddiplomski studij računarstva 2010/2011 prof.dr.sc. Ivo Ipšić 1

2 Saržaj kolegija Primjena računala Uvod i razvoj računala Programska i strojna oprema računala Uvod u programiranje i programski jezik C 2

3 Sadržaj povezanost arhitekture računalnog sustava i operacijskog sustava računalni sustav izvođenje instrukcija definicije operacijskog sustava povijesni pregled razvoja operacijskih sustava funkcije i zadaće operacijskih sustava operacijski sustavi MS Windows i Unix 3

4 John von Neumann, ideja: zajedničko pohranjivanje podataka i programa u memoriji računala slijedeći korak programa ovisi o prijašnjem predložena arhitektura za EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) postaje poznata pod imenom von Neumanova arhitektura računala 4

5 IAS Računalo 5

6 Model von Neumannovog računala REGISTRI UPRAVLJAČKI SKLOP ARITMETIČKO - LOGIČKA JEDINICA CPU ULAZNA JEDINICA MEMORIJA IZLAZNA JEDINICA Tok podataka i instrukcija Upravljački signali 6

7 Turingov stroj von Neumannov model Algoritam obrade određen programom Memorija - konačna Memorija beskonačna traka 7 IIL IIq1obrade određen izvedbom upravljačke jedinice IIIQP2Algoritam q

8 Elementi računala 8

9 Elementi računala centralna procesna jedinica (CPU) ili mikroprocesor obavlja upravljačke operacije i obradu podataka memorija glavna ili radna memorija pohranjuje instrukcije programa i podatke ulazno/izlazni sklopovi služe za unos podataka u računalo i prikaz rezultata obrade sustav sabirnica omogućava prijenos podataka, instrukcija, adresa i upravljačkih signala između mikroprocesora, memorije i ulazno/izlaznih uređaja 9

10 CPU (Central processing unit) storage input/output control unit ALU memory registers registers flags cache memory 10

11 CPU aritmetičko logička jedinica (ALU): izvršava aritmetiče i logičke operacije na podacima zapisanim u registre prema naredbama upravljačkog sklopa registri mikroprocesora: privremena pohrana podataka i instrukcija provides temporary storage for data and instructions. registri upravljačkog sklopa: instrukcijski registar csadrži instrukciju koja se izvršava programsko brojilo (instruction pointer) sadrži adresu sljedeće instrukcije registri aritmetičko logičkog sklopa akumulator sadrži operande i rezultate aritmetičkih i logičkih operacija 11

12 CPU interne sabirnice mikroprocesora: povezuju upravljački skolop, ALU i registre upravljački sklop: upravlja operacijama mikroprocesora, interpretira, dekodira instrukcije, prenosi podatke među registrima, upravlja ALU,... priručna memorija (cache) : sadrži skup instrukcija i podataka koje mikroprocesor koristi za izvršavanje 12

13 Memorije mikroprocesora 13

14 Sabirnice mikroprocesora Control Bus RAM ROM Microprocessor (CPU) Data Bus Address Bus Input/Output (I/O) 14

15 Sabirnice (BUS) spojni putovi vodovi povezuju dijelove računala adresna sabirnica prijenos adresa instrukcija i podataka potrebnih za operacije čitanja i pisanja podatkovna sabirnica prijenos podataka i instrukcija dvosmjerna komunikacija upravljačka sabirnica prijenos upravljačkih i sinkronizacijskih signala 15

16 16

17 Elementi računala: Ulazna jedinica služi za unos podataka iz vanjskog svijeta memoriju računala: tipkovnica, miš, mikrofon, kamera 17

18 Izlazna jedinica služi za prikaz obrađenih podataka: monitor, štampač, ploter, zvučnik 18

19 Memorija svaki podatak u memoriji ima svoju jednoznačnu adresu u memoriji se pohrajuju podaci i programi postupci pisanja i čitanja preko dva registra: MAR i MDR 19

20 Memorija adresa podatak 20

21 Zapisi u memoriji 21 adresa nekog zapisa u memoriji adresa prvog bajta adresa sljedećeg zapisa uvećana je za 4 odn. 8 bajtova 32-bitne riječi adr = 0000 adr = 0004 adr = 0008 adr = bitne riječi Ad dr 0000 = Ad dr 0008 = adrese bajtova

22 Zapisi riječi u memoriji najmanje značajan bajt na najvećoj adresi (Big Endian) najznačjniji bajt na najvećoj adresi (Little Endian) primjer za heksdekadski broj 0x zapisan na adresi 0x100 Big Endian 0x100 0x101 0x102 0x Little Endian 0x100 0x101 0x102 0x

23 Tipovi memorija I RAM (Random Access Memory) nepostojana (volatile) korisnik može vršiti pisanje i brisanje (R/W) dvije kategorije: DRAM(Dynamic RAM) potrebno osvježavanje koristi se u većini osobnih računala SRAM (Static RAM) nije potrebno osvježevanje (No refresh) brža, pouzdanija ali skuplja 23 česta upotraba za cache memoriju

24 24 Tipovi memorija II ROM (Read Only Memory) postojana (Nonvolatile) sadržaj zapisan tvornički (od proizvođača) sadrži boot program ROM PROM (Programmable ROM) korinik može izvršiti jednokratni zapis EPROM (Erasable PROM) korisnik može fizički izvaditi i u posebnoj napravi izvršiti ponovni zapis EEPROM (Electronically EPROM)- korisnik može izvršiti ponovni upis bez fizičkog vađenja

25 25 Vanjska memorija jeftinija od unutarnje memorije računala velikog kapaciteta ali sporija magnetni mediji tvrdi diskovi (HD) direktni dostup trake, diskete relikti povijesti sekvencijelni dostup, direktni dostup optički mediji: CD i DVD koriste svjetlo (laser) za pohranu i čitanje podataka. razne vanjske memorije Flash, SD, kartice, USB stik

26 Izgled tvrdog diska magnetni diskovi (ploče) glava za čitanje i pisanje brzina čitanja sa diska vrijeme potrebno za pomak glave do trake koju čitamo rotacija diska do sektora

27 Fizički izgled jednog diska svaka ploča se sastoji od staza (tracks) svaka staza je podijeljena na sektore čitaju se blokovi zapisani u sektorima

28 Optički mediji CD-ROM (Compact disc read-only memory) CD-R (Compact disc recordable) jednokratni zapis - WORM (Write Once, Read Many) - CD-RW (Compact disc rewritable) višekratni zapis - Erasable optical disc DVD (Digital Versatile Disc) veći kapacitet

29 Jezik mikroprocesora instrukcije se izvršavaju u dvije faze: pribavi i izvrši instrukciju OP 1 AM ADRESA OP - operacija, instrukcijski kod AM - način adresiranja polje operacijskog koda bit 4 = 1 32 bitna instrukcija 29

30 Instrukcijski ciklus U fazi pribavljanja na osnovi adrese zapisane u registru PC pribavlja se instrukcija iz memorije i prenosi u instrukcijski registar. U drugoj fazi se instrukcija izvršava tako da se dekodira i da upravljači sklop generira signale potrebne za izvršavanje instrukcije. Zadnji korak izvršavanja instrukcije je povećanje adresu u registru PC za jedan. Nakon toga se ponavlja postupak sve dok se ne generira signal koji označava kraj niza instrukcija odn. programa. 30

31 Instrukcijski ciklus 1. PC -> MAR Prijenos adrese iz registra PC u MAR 2. MDR -> IR Prijenos sadržaja registra MDR u IR 3. IR(address) -> MAR Prijenos adresnog djela instrukcije u MAR 4. MDR -> A Prijenos podatka iz MDR u AR 5. PC + 1 -> PC Povećaj programsko brojilo 31

32 Instrukcijski ciklus pribavi instrukciju pribavi operande pohrani operande izračun adrese instrukcije dekodiraj instrukciju izračunaj adresu operanada izvrši instrukciju izračunaj adresu operanada 32

33 Model pojednostavljenog mikroprocesora MAR MDR PC AR IR dekoder ALU upravljački sklop piši čitaj takt φ 33

34 Izvođenje jednog instrukcijskog ciklusa MAR MDR PC AR IR dekoder ALU upravljački sklop piši čitaj 34 takt φ

35 Faza pribavi instrukciju MAR MDR PC AR IR dekoder ALU upravljački sklop piši čitaj 35 takt φ

36 Faza izvrši instrukciju MAR MDR PC AR IR dekoder ALU upravljački sklop piši čitaj 36 takt φ

37 Faza izvrši instrukciju 2 MAR MDR PC AR IR dekoder ALU upravljački sklop piši čitaj 37 takt φ

38 Primjer faze izvrši za instrukciju MVT MAR MDR PC AR IR ALU dekoder upravljački sklop piši čitaj 38 takt φ

39 Pribavi operand MAR MDR AAAA0000 PC AR IR ALU dekoder upravljački sklop piši čitaj 39 takt φ

40 Izvrši MVT MAR MDR AAAA0000 PC AAAA0000 AR IR dekoder ALU upravljački sklop piši čitaj 40 takt φ

41 Apstrakcijski nivoi računala 41

42 Programska oprema Operacijski sustav: Program koji upravlja računalnim resursima, izvođenjem svih programa i služi kao sučelje između korisničkih programa i strojne opreme. Korisnički programi: Uređivači teksta, web preglednici, prevodioci, Matlab,... 42

43 Uvod Operacijski sustav omogućava: lakši rad korisnicima ( grafičko sučelje GUI) veću učinkovitost iskorištavanja svih fizičkih resursa računala (dodjeljivanje memorijskog prostora programima, upravljanje procesima) razvoj i izvođenje korisničkih programa pristup U/I uređajima dostup datotekama (datotečni sustav) 43

44 korisnici programsko sučelje korisnički programi sučelje O.S. O.S. skup instrukcija strojna oprema 44

45 Uvod u OS Višezadaćni operacijski sustavi (više procesa ili programa se nalazi u radnoj memoriji) Višekorisnički operacijski sustavi (time sharing procesorskog vremena) 45

46 Jednozadaćni OS 46

47 Višezadaćni OS 47

48 Razvoj operacijskih sustava 1. generacija upravljanje programima vrši operater ( ) 2. generacija - dijalog, monitor ( ) 3. generacija time sharing, multiprogramming ( ) 4.generacija - umreženo upravljanje, PC (1980-) 48

49 Punch cards 49

50 1. generacija 50 čitanje kartica i zapis na traku na 1401 traka na 7094 na kojem se izvodi program traka na 1401 koji štampa rezultate

51 Prevođenje i izvođenje Potpunu kontrolu ima operater Bušenje kartica Čitanje kartica Prevođenje Javljanje grešaka Bušenje rezultata obrade na kartice Štampanje rezultata obrade 51

52 Bach job 52

53 2. generacija 53

54 2. generacija IBM 701 upravljanje pomoću panela operator s panel grupiranje programa batch computing upravljački jezik job control language 54

55 Job control 55

56 3. GENERACIJA OS 56

57 3. GENERACIJA OS istovremeno izvršavanje više programa jobova multiprogramming Time sharing Multics MIT CP/CMS IBM 57

58 4. generacija 58

59 4. generacija multithreading više nitni procesi proces se dijeli na niti (threads= multiprocessing SMP (symmetric multiprocessing) višeprocesorske arhitekture distribuirani sustavi računalni clustri 59

60 Paralelna obrada paralelni sustav 4640 računala 60

61 Supercomputer 5.generacija 5212 CPU UNIX op500.org 61

62 Funkcije operacijskog sustava 1. Upravljanje prekidnim sustavom (interrupt handling) 2. Raspoređivanje programa u memoriji (dispatching) 3. Upravljanje računalnim resursima (resource management) 4. Alokacija memorijskog prostora (program allocation) 62

63 Funkcije operacijskog sustava 5. Upravljanje datotečnim sustavom (file management) 6. Upravljanje procesima (job control) 7. Zaštita i pouzdanost (system reliability) 63

64 Programi i procesi Proces: skup postupaka operacijskog sustava u kojem se obrađuje, prenosi i pohranjuje informacija. Proces: skup stanja programa koji se izvodi. Kod izvođenja programa generira se proces, koji koristi memoriju i procesorsko vrijeme. 64

65 Programi, procesi i niti Program može generirati više procesa Više zadaća: npr. Zbrajanje operanda, pohranjivanje podataka, ispis na štampač,... Proces: niz akcija (niti) koje se izvode na računalnim resursima. Niti se mogu izvršavati paralelno 65

66 Procesi stablo procesa proces A je generirao procese B i C proces B je generirao procese D,E i F 66

67 Potpuni zastoj 67 (a) Mogući zastoj. (b)potpun zastoj.

68 Potpun zastoj (Deadlock) P 0 Zahtjeva pisač; Pisač dodjeljen; Zahtjeva CD čitač; Čeka na dodjelu CD čitača P 1 Zahtjeva CD čitač; CD čitač dodjeljen; Zahtjeva pisač; Čeka na dodjelu pisača 68

69 Stanja procesa Izvođenje akcije Čekanje na izvođenje Blokiran 69

70 Koraci sistemskog poziva 70 sistemski poziv funkcije za čitanje read (fd, buffer, nbytes)

71 Upravljanje resursima 71

72 Upravljanje memorijom postupci dodjeljivanja memorijskog prostora procesima: segmentacija memorije u blokove straničenje memorije u stranice dinamičko dodjeljivanje memorije procesima logičke i fizičke adrese virtualna memorija 72

73 Upravljanje memorijom 73

74 MS Windows MS DOS 1981 Intel kB DOS 2.0 PC XT kB DOS 3.0 PC AT 1984 Intel kb DOS 3.3 PS 1987 Intel kB Windows Intel GUI Windows NT (IBM OS/2) Windows 3.1 NT Windows bitni mikrop 74

75 MS Windows (datotečni sustav) 75

76 MS Windows (datotečni sustav) 76

77 MS Windows (procesi) 77

78 Datotečni sustav pohranjivanje i zapis datoteka na disku bez poznavanja fizičke organizacije diska otvaranje, zatvaranje, brisanje, zapis, preimenovanje datoteka datoteke su organizirane u direktorije hijerahiju mapa root directory put do datoteke (path) /cygdrive/c/bojan/research/kcs/speech ili /home/user/garfield/kcs/allradpri/models/monophones dozvole za pristupanje

79 Povjesni razvoj Unix-a Razvoj prenosivog operacisjkog sustava moguća instalacija na raznim računalima 1969 AT&T Bell Lab Lucent Technologies Višekorisnićki, višezadaćni operacijski sustav Slobodna distribucija, razvoj različitih verzija UNIX-a 79

80 Komponente Unix-a Kernel Jezgra operacijskog sustava glavni kontrolni program Shell Interpretira naredbe korisnika i proslijeđuje ih kernelu File System Datotečni sustav Organizacija datoteka i direktorija Utilities Unix komande 80

81 Operacijski sustavi UNIX System V Release 4 (SVR4) Solaris 2.x 4.4BSD Linux 81

82 Unix Glavne verzije Unix-a BSD (Berkeley Software Distribution) System V (AT&T Bell Labs) Ostale verzije temelje na gornjima Solaris (Sun Microsystems) HP-UX (Hewlett-Packard Unix) System V based 82

83 Linux Verzija Unix-a Autor Linus Torvalds Osnova OS Minix Andrew Tannenbaum Slobodna distribucija Moguća instalacija na svim računalnim sustavima Red Hat, Debian, Suse,... 83

84 Pristup Operacijskom sustavu Korisnički račun i zaporka Višekorisnički operacijski sustav Korisničko ime, login ID, login, ID,... administrator sustava Zaporka Integritet podataka Sigurnost 84

85 85 Arhitektura UNIX-a

86 Datotečni sustav 86

87 Datotečni sustav / početni direktorij - root /usr -datoteke operacijskog sustava /etc -konfiguracijske datoteke /var -promjenljive datoteke /tmp -privremene datoteke /sbin -sistemski programi /bin -korisnički programi /usr/local -naknadno instalirani programi /home -matični direktoriji korisnika 87

88 Naredbe Unix-a ls lists a directory of your files ls a lists a directory of your files including the "dot" files (such as ".vacation.msg") ls l lists a directory of your files including information about the file sizes ls ~/<directory name> lists the files in a subdirectory mkdir creates a new directory rmdir removes an empty directory cp copy rm remove (or delete) a file cd change directory lpr -P<printer name> <file name> print a file to a network printer 88 ls lpr print a list of files in your directory

89 Literatura M. Žagar: UNIX i kako ga iskoristiti Introduction to UNIX 89

90 Pitanja 1. Navedi osnovne funkcije operacijskih sustava. 2. Definiraj operacijski sustav. 3. Navedi značajke modernih operacijskih sustava. 4. Koja je razlika između logičke i fizičke adrese programa. 5. Što je to virtualna memorija. 6. Definiraj proces. 7. Koje su funkcije prekidnog sustav mikroprocesora. 8. Navedi osnovne metode zaštite programa i podataka korisnika u višekorisničkim operacijskim sustavima. 90