No Title

Systemy operacyjne - wprowadzenie

Jacek Kobus

Instytut Fizyki UMK
20010/11

Program wykładu

Wprowadzenie
- Co to jest system komputerowy?
- Co to jest system operacyjny?
- Historia komputerów i systemów operacyjnych
- Architektura współczesnych komputerów
Jak system komputerowy wykonuje programy?
- Monitor prosty
- Praca pośrednia
- Buforowanie
- Spooling
- Wieloprogramowość
- Systemy z podziałem czasu
- Systemy rozproszone, systemy czasu rzeczywistego
Struktura systemu komputerowego
- Systemy z obsługą przerwań
- Struktura wejścia-wyjścia
- Dualny tryb pracy
- Ochrona sprzętowa pamięci
Procesy
- Model procesu i jego implementacja
- Proces z poziomu powłoki
- Zarządzanie procesami
- Komunikacja międzyprocesowa
- Synchronizowanie procesów. Zakleszczenia.
Zarządzanie pamięcią
- Zarządzanie pamięcią bez wymiany i stronicowania
- Wymiana
- Pamięć wirtualna
- Segmentacja
Systemy plików
- Rodzaje plików
- Partycje i systemy plików
- Systemy plików z kroniką, LVM, RAID
Struktura systemów operacyjnych
- Systemy monolityczne
- Systemy warstwowe
- Maszyny wirtualne
- Model klient-serwer
Przykłady systemów operacyjnych
- MSDOS, Windows 95/98
- Windows 2000/NT/XP
- UNIX, GNU/Linux
Rodzaje systemów komputerowych
System operacyjny GNU/Linux
- rozwój jądra, dystrybucje Linuksa
- uruchamianie systemu
- konfiguracja systemu
- nadzorowanie pracy systemu komputerowego

Notatki do wykładu:

http://www.fizyka.umk.pl/~jkob/so.pdf
http://www.fizyka.umk.pl/~jkob/so.html, http://www.fizyka.umk.pl/~jkob/so-literatura.html

Systemy operacyjne - systemy (top500, 05/2010)

Figure

CNL - Compute Node Linux, CNK - Compute Node Kernel, SLES - SUSE Linux Enterprise System, CentOS - Community ENTerprise Operating System

Systemy operacyjne - wydajność (top500, 05/2010)

Figure

CNL - Compute Node Linux, CNK - Compute Node Kernel, SLES - SUSE Linux Enterprise System, CentOS - Community ENTerprise Operating System

System komputerowy

użytkownicy (ludzie, maszyny, inne komputery)
programy użytkowe (kompilatory, edytory, systemy baz danych, gry)
system operacyjny
sprzęt (procesor, pamięć, urządzenia wejścia-wyjścia)

System komputerowy wg Tanenbauma

Banking system	Airlines res.	Games

Compilers	Editors	Command Interp.

Operating system

Machine language
Microprogramming
Physical devices

System komputerowy

Poziomy abstrakcji współczesnych systemów komputerowych
(wg Null i Lobur)

6	Użytkownik	Programy wykonywalne
5	Język wysokiego poziomy	C++, Java, FORTRAN, itd.
4	Asembler	Kod asemblera
3	Oprogramowanie systemowe	System operacyjny, biblioteki
2	Maszyna	Architektura zbioru rozkazów
1	Sterowanie	Mikrokod lub skonfigurowane sprzętowo
0	Logika cyfrowa	Obwody, bramki, itd.

Przykład układu sterującego

NEC PD 765 floppy disk controler for IBM PC:

16 commands (1-9 bytes to device registers)
reading/writing data: read/write commands with 13 parameters (sectors/tracks, recording mode or physical medium, intersector gap spacing)
moving arm
formatting tracks
initiallizing, sensing, resetting, recallibrating
motor on/off

Dzięki systemom operacyjnym użytkownicy nie muszą zaznajamiać się ze szczegółami działania różnorodnych urządzeń przyłączanych do komputera.

Co to jest system operacyjny?

System operacyjny jest programem, który działa jako pośrednik między użytkownikiem komputera a sprzętem komputerowym. Zadaniem systemu operacyjnego jest tworzenie środowiska, w którym użytkownik może wykonywać programy.

System operacyjny nadzoruje i koordynuje posługiwanie się sprzętem przez różne programy użytkowe, które pracują na zlecenie różnych użytkowników.

System operacyjny jest odpowiedzialny za

zarządzanie zasobami komputera
tworzenie wirtualnej maszyny (dla programisty)

Jądro (kernel) jest tą częścią systemu operacyjnego, która działa w komputerze nieustannie. Wszystkie pozostałe programy są programami użytkowymi.

Cechy dobrego systemu operacyjnego

funkcjonalność
wydajność (procesor powinien pracować dla użytkownika)
skalowalność (zwiększenie obciążenia i rozbudowa sprzętu)
niezawodność (dostępność, five nines)
łatwość korzystania i zarządzania

Prehistoria rozwoju komputerów

Abak, liczydło (znane od około 3000 lat)
wprowadzenie cyfr arabskich: Gerbert z Aurillac (koniec X w.), Leonardo Fibonacci (przełom XII i XIII w.)
pałeczki Nepera (wykorzystanie logarytmów): John Neper (Napier), Henry Briggs (początek XVII w.)
zegar liczący Wilhelma Schickarda: pierwsza maszyna licząca (około 1623)
Pascaline: arytmometr Blaise'a Pascala (1642)
programowalne urządzenie włókiennicze: Jaques de Vaucanson (1745)
pierwsze uniwersalne krosno wykorzystujące karty perforowane: Joseph-Marie Jacquard (pierwsza połowa XIX w.)

Prehistoria rozwoju komputerów (cd)

maszyna różnicowa Charlesa Babbage'a (około 1823)

każdy wielomian może być wyliczany w oparciu o różnice skończone:

f (n)

n²+n+41

∆f(n)

f(n) − f(n−1) = 2n

∆² f(n)

∆f(n) − ∆f(n−1) = 2

f(n)

f(n−1) + ∆f(n) = f(n−1) + ∆f(n−1) + ∆² f(n)

f(n−1) + 2(n−1) + 2 = f(n−1) + 2n

Tablica różnic skończonych

f(n)=n²+n+41=f(n-1)+∆ f(n-1)+∆²f(n)

n	f(n)	∆ f(n)	∆² f(n)
0	41

1	43	2	2

2	47	4	2

3	53	6	2

4	61	8	2

5	71	10	2

Prehistoria rozwoju komputerów (cd)

maszyna różnicowa braci Scheutz (1855): szybkość 33-44 32-cyfrowe liczby na minutę
maszyna analityczna Babbage'a (1835; Luis Manabrea, Ada Byron)
Prawa myślenia (algebra Boole'a): George Boole (1854)
karty perforowane jako nośniki informacji: Herman Hollerith (przełom XIX i XX w.)
pierwszy kalkulator elektroniczny (1939): John Atanasoff, Clifford Berry
Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC, Harvard Mark I, kalkulator automatycznego sterowania sekwencyjnego): Howard Aiken + inżynierowie IBM (1944) (dodawanie - 0.3 sek, mnożenie - 6 sek)

Historia rozwoju komputerów i systemów operacyjnych

1642-1945 (0. generacja): mechaniczne maszyny liczące
1945-1953 (1. generacja): komputery na lampach próżniowych
- programowanie w języku maszynowym (brak języka programowania)
- przeprowadzanie wyłącznie obliczeń numerycznych
- zastosowanie kart dziurkowanych do wprowadzania danych (początek lat 1950.)

ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Computer (elektroniczne urządzenie numeryczne całkujące i liczące), 1946-1955 (J.Mauchly, J.P.Eckert)

18 tys. lamp próżniowych, 70 tys. oporników, 10 tys. kondensatorów, 1.5 tys. przekaźników, 6 tys. ręcznych przełączników
30 ton, 170 m², moc 160kW
5000 operacji dodawania na sekundę
maszyna dziesiętna (każda liczba była reprezentowana przez pierścień złożony z 10 lamp)
ręczne programowanie przez ustawianie przełączników i wtykanie kabli

Park w Bletchley, Anglia, 1939-1945

Government Code and Cipher School, a w rzeczywistości siedziba wywiadu, gdzie łamano niemieckie szyfry przy pomocy ulepszonej ,,bomby" M.Rejewskiego, a następnie maszyn Heath Robinson, Mark 1 Colossus (1943) i Mark 2 Colossus (1944).

Mark 2 Colossus:

2400 lamp elektronowych
5 czytników taśm (5×5 tys. znaków na sekundę, bufory)
arytmetyka binarna
testowanie Boole'owskich operacji logicznych
rejestry pamięci elektronicznej sterowane automatycznie
realizacja podprogramów dla wykonywania określonych funkcji
wyniki obliczeń wyprowadzane za pomocą elektrycznej maszyny do pisania

EDVAC
Electronic Discrete Variable Computer, 1946 (J. von Neumann, Institute for Advanced Studies (IAS)); pomysł pochodzi od Mauchly'ego i Eckerta

pamięć główna (przechowywanie danych i rozkazów), 1000 słów 40 bitowych
jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU, Arithmetic-Logic Unit) wykonująca działania na danych binarnych
jednostka sterująca, która interpretuje rozkazy z pamięci i powoduje ich wykonanie
urządzenia wejścia-wyjścia, których pracą kieruje jednostka centralna

Komputery o takiej ogólnej strukturze określa się jako maszyny von Neumanna.

Jednostka sterująca uruchamia IAS, pobierając rozkaz z pamięci i wykonując go (jeden rozkaz w określonym momencie)

rejestr buforowy pamięci (MBR - memory buffer register) - przechowywanie słowa, ktore ma być pobrane lub odesłane do pamięci
rejestr adresowy pamięci (MAR - memory address register) - adres w pamięci słowa, które ma być zapisane/odczytane z MBR
rejestr rozkazów (IR - instruction register) - 8-bitowy kod operacyjny rozkazu, który jest wykonywany
buforowy rejestr rozkazów (IBR - instruction buffer register) czasowo przechowuje podręczny rozkaz ze słowa w pamięci
licznik programu (PC - program counter) - adres kolejnej pary rozkazów
akumulator (AC - accumulator) oraz rejestr mnożenia i dzielenia (MQ - multiplier-quotier) - czasowe przechowywanie argumentów i wyników operacji prowadzonych przez ALU.

Cykle komputera IAS:

cykl rozkazu: kod operacji następnego rozkazu jest ładowany do IBR, a część adresowa - do MAR.
cykl wykonania: układy sterujące rozpoznają kod operacji i wykonują rozkaz, wysyłając odpowiednie sygnały sterujące, które powodują, że przenoszone są dane lub ALU wykonuje operację
Komputer IAS ma 21 rozkazów:
- przenoszenie danych
- rozgałęzienie bezwarunkowe
- rozgałęzienie warunkowe
- arytmetyka
- modyfikowanie adresu

Wykonanie operacji mnożenia wymaga wykonania 39 podoperacji.

Lista rozkazów IAS

Kod	Reprezentacja	Opis
operacji	symboliczna
00001010	LOAD MQ	przenieś zawartość MQ do AC
00001001	LOAD MQ,M(X)	przenieś zawartość komórki X do MQ
00000001	LOAD M(X)	przenieś M(X) do akumulatora
00001101	JUMP M(X,0:19)	pobierz następny rozkaz z lewej połowy M(X)
00001110	JUMP M(X,20:39)	pobierz następny rozkaz z prawej połowy M(X)
00001111	JUMP+M(X,0:19)	jeśli liczba w AC ≥ 0 pobierz nast. rozkaz z lewej połowy M(X)
00001111	JUMP+M(X,20:39)	jeśli liczba w AC ≥ 0 pobierz nast. rozkaz z lewej połowy M(X)
00000101	ADD M(X)	dodaj M(X) do AC i wynik umieść w AC
00000110	SUB M(X)	odejmij M(X) od AC i wynik umieść w AC
00001011	MUL M(X)	pomnóż M(X) przez MQ i umieść najbardziej
		znaczące bity w AC, a najmniej w MQ
00001100	DIV M(X)	podziel zawartość AC przez M(X), umieść iloraz w MQ, resztę w AC
00010101	LSH	pomnóż AC przez 2 (przesuń w lewo o jedną pozycję)
00010001	RSH	podziel AC przez 2 (przesuń w prawo o jedną pozycję)
00010010	STOR M(X,8:19)	zamień lewe pole adresowe M(X) na 12 bitów AC z prawej

Pierwsze komputery komercyjne

W roku 1947 Mauchly i Eckert tworzą Eckert-Mauchly Computer Corporation. Powstaje pierwszy komputer komercyjny UNIVAC I (Universal Automatic Computer), który może realizować

macierzowe rachunki algebraiczne
problemy statystyczne
obliczanie premii dla firm ubezpieczeniowych

UNIVAC I został wykorzystany do powszechnego spisu w 1950 r.

IBM wyprodukowł swój pierwszy komputer elektroniczny z przechowywanym programem do zastosowań naukowych w 1953 r. (model 701). Model 702 (1955) znalazł zastosowanie w biznesie.

Historia rozwoju komputerów i systemów operacyjnych (cd)

1953-1965 (2. generacja): komputery tranzystorowe
- zwiększona niezawodność
- rozgraniczenie roli operatora i programisty
- system wsadowy (wczytywanie i drukowanie off-line)
- karty sterowania zadaniami (Fortran Monitor System,
  Job Control Language)

Prosty monitor wraz z językiem kontroli zadań (JCL) umożliwiał przetwarzanie wsadowe (batch processing).

Bardziej złożone jestnostki ALU oraz sterujące, ulepszone języki programowania, rozpoczęto dostarczanie oprogramowania systemowego.

Rozwój komputerów IBM z serii 700

zwiększenie pamięci
skrócenie czasu cyklu pamięci
wprowadzenie kanałów danych
zastosowanie multipleksera

Kanał danych jest niezależnym modułem wejścia-wyjścia z własnym procesorem i własną listą rozkazów.

Multiplekser szereguje dostęp procesora i kanałów danych do pamięci, pozwalając tym urządzeniom działać niezależnie.

Historia rozwoju komputerów i systemów operacyjnych (cd)

1965-1980 (3. generacja): komputery zbudowane z układów scalonych
- ujednolicenie linii produkcyjnych; małe i duże komputery z ujednoliconym systemem operacyjnym (ta sama lista rozkazów, ale różna wielkość pamięci, szybkość procesorów, wydajność)
- wieloprogramowość, spooling
- systemy z podziałem czasu (MULTICS)
- minikomputery (DEC PDP)

Zalety układów scalonych:

koszt mikroukładu niezmieniony pomimo wzrostu gęstości upakowania
gęstsze upakowanie to większa szybkość działania układu
zmniejszenie wymiarów komputera
mniejsze zapotrzebowanie na moc i łatwiejsze chłodzenie
połączenia wewnątrz układu scalonego są bardziej niezawodne, niż połączenia lutowane

System IBM 360 (1964):

podobna/identyczna liczba rozkazów
podobny/identyczny system operacyjny
rosnąca szybkość
rosnąca liczba urządzeń we-wy
rosnący rozmiar pamięci
rosnąca cena

DEC PDP-8 (1964) - pierwszy minikomputer (magistrala Omnibus)

Historia rozwoju komputerów i systemów operacyjnych (cd)

od 1980 (4. generacja): komputery oparte na układach VLSI
- układy o dużym stopniu scalenia (VLSI) spowodowały powstanie stacji roboczych i komputerów osobistych (architektura minikomputerów)
- sieciowe systemy operacyjne
- rozproszone systemy operacyjne (układy masywnie równoległe)

SSI (Small Scale Integration) mała skala integracji, 10-100 elem./układ
MSI (Medium Scale Integration) średnia skala integracji, 100-1000 elem./układ
LSI (Large Scale Integration) duża skala integracji, 1000-10000 elem./układ
VLSI (Vary Large Scale Integration) bardzo duża skala integracji, powyżej 10000 elem./układ

Generacje komputerów

			szybkość
generacja	lata	technologia	(operacji/sek)
1	1946-1957	lampa próżniowa	40 000
2	1958-1964	tranzystor	200 000
3	1965-1971	mała i średnia skala scalenia	1 000 000
4	1972-1977	duża skala scalenia	10 000 000
5	1978-	bardzo duża skala scalenia	100 000 000

Początki komputeryzacji w Polsce

W grudniu 1948 roku powstaje w Instytucie Matematyki Grupa Aparatów Matematycznych kierowana przez dra Henryka Greniewskiego. Powstają:
- Analogowy Analizator Równań Algebraicznych Liniowych (ARAL, 1954, K.Bochenek): 400 lamp elektronowych, rozwiązywanie układu co najwyżej 8 (niekoniecznie) liniowych równań różniczkowych.
- Analogowy Analizator Równań Różniczkowych (ARR, L.Łukaszewicz); Elektroniczna Maszyna Automatycznie Licząca (EMAL, R.Marczyński)
- XYZ (1958) wzorowany na IBM 701, pamięć naddźwiękową, 800 operacji/sek., przerzutniki z maszyny sowieckiej BESM 6; ZAM 2 (ulepszona wersja XYZ)
opracowanie Systemu Automatycznego Kodowania (SAKO, 1960), zwanego Polskim FORTRAN-em.
Odra 1002 (1962) - pierwszy komputer z zakładów Elwro, Odra 1003 (1964) - pierwszy seryjnie produkowany komputer
16-bitowy minikomputer K-202 J.Karpińskiego (1970-1973), pierwszy polski komputer zbudowany z użyciem układów scalonych, przewyższał pod względem szybkości pierwsze IBM PC oraz umożliwiał wielozadaniowość, wielodostępność i wieloprocesorowość.
minikomputer Mera (1978)

Najważniejsze usprawnienia w organizacji i architekturze komputerów:

koncepcja rodziny (IBM 360, PDP-8), tzn. oddzielenie architektury od implementacji
mikroprogramowalna jednostka sterująca (IBM linia 360, 1964)
pamięć podręczna (model 85 IBM S/360, 1968); znaczące poprawienie wydajności
przetwarzanie potokowe
zwielokrotnione strumienie (IBM 370/168)
pobieranie docelowego rozkazu z wyprzedzeniem (IBM 360/91), bufor pętli (CDC Star 100, CRAY-1)
przewidywanie rozgałęzień (VAX 11/780)
wieloprocesorowość
architektura o zredukowanej liczbie rozkazów (RISC)

Figure

Ewolucja mikroprocesorów firmy Intel^f

parametr	8008	8080	8086	80386	80486
rok wprowadzenia	1972	1974	1978	1985	1989
liczba rozkazów	66	111	133	154	235
szerokość szyny adresowej	8	16	20	32	32
szerokość szyny danych	8	8	16	32	32
liczba rejestrów	8	8	16	8	8
adresowalność pamięci	16KB	64KB	1MB	4GB	4GB
szerokość pasma magistrali (MB/s)	-	0.75	5	32	32
czas dodawania rejestr-rejestr (μs)	-	1.3	0.3	0.125	0.06

Mikroprocesory firmy Intel

parametr	286	386	486	Pentium	P6
początek projektowania	1978	1982	1986	1989	1990
rok wprowadzenia	1982	1985	1989	1993	1995
liczba tranzystorów	130K	275K	1.2M	3.1M	5.5M
szybkość (MIPS)	1	5	20	100	150

^fW.Stallings, Organizacja i architektura systemu komputerowego, WNT, Warszawa, 2000.

Prawo Moore'a (1965)

Gordon Moore - założyciel i wiceprezydent firmy Intel

Sformułowanie I:

Liczba tranzystorów, które można zmieścić na jednym calu kwadratowym płytki krzemowej podwaja się co 12 miesięcy.

Sformułowanie II:
Liczba tranzystorów (na jednostce powierzchni płytki krzemowej), która prowadzi do najmniejszych kosztów na jeden tranzystor, podwaja się w przybliżeniu co 12 miesięcy.

Sformułowanie III:
Wydajność systemów komputerów ulega podwojeniu co około 18 miesięcy.

Jack J.Dongara The Quest for Petascale Computing, Computing in Science & Engineering (2001)

Figure

Architektura współczesnego procesora

przetwarzanie potokowe
superskalarność
przewidywanie rozgałęzienia (branch prediction), spekulatywne wykonywanie rozkazów
analiza przepływu danych, tj. badanie zależności między rozkazami i wykonywanie ich nawet w kolejności innej niż w programie, aby zmniejszyć opóźnienia
hiperwątkowość (hyper-threading)
instrukcje SIMD (Single Instruction Multiple Data): MMX (MultiMedia Extensions), SSE (Streaming SIMD Extensions), 3DNow (3D NO Waiting)
wielordzeniowość
Intel VT (vmx), AMD V (svm)

Własności procesorów CISC, RISC, superskalarnych (SS)

	CISC		RISC		SS
	(a)	(b)	(c)	(d)	(e)	(f)
rok powstania	1978	1989	1988	1991	1990	1989
liczba rozkazów	303	235	51	94	184	62
rozmiar rozkazu [B]	2-57	1-11	4	32	4	4,8
tryby adresowania	22	22	3	1	2	11
liczba rejestrów	16	8	32	32	32	23-256
cache [KB]	64	8	16	128	32-64	0.5
(a) VAX 11/780, (b) Intel 80486, (c) Motorola 88000
(d) MIPS R4000, (e) IBM RS 6000, (f) Intel 80960

CISC (Complex Instruction Set Computer) komputer o pełnej liście rozkazów

RISC (Reduced Instruction Set Computer) komputer o zredukowanej liście rozkazów

Figure

Pentium II and Pentium III Processors Architecture¹

Figure

Ewolucja własności procesorów i pamięci DRAM

szybki rozwój pojemności pamięci i szybkości procesorów
wolniejszy przyrost szybkości przesyłania danych pomiędzy procesorem i pamięcią

Interfejs pomiędzy pamięcią główną a procesorem jest najbardziej krytycznym elementem całego komputera, ponieważ jest on odpowiedzialny za przepływ rozkazów i danych pomiędzy tymi układami.

Jeśli dostęp do pamięci jest niewystarczający, to cykle procesora są marnowane (głodzenie procesora).

Hierarchia pamięci:

rejestry
pamięć podręczna (cache)
pamięć główna
pamięć dyskowa
pamięć taśmowa, dyski optyczne

Rodzaj dostępu do pamięci:

dostęp sekwencyjny
dostęp bezpośredni (bloki ew. rekordy mają odrębne adresy)
dostęp swobodny
dostęp skojarzeniowy - rodzaj dostępu swobodnego, który umożliwia porównywanie i specyficzne badanie zgodności wybranych bitów wewnątrz słowa (zachodzi to dla wszystkich słów jednocześnie); słowo jest wyprowadzane na podstawie części swojej zawartości, a nie na podstawie adresu (zastosowanie: pamięć podręczna procesora)

Rodzaje pamięci półprzewodnikowych:²

RAM (Random Access Memory) pamięć o dostępie swobodnym - odczyt-zapis, wymazywanie/zapisywanie elektryczne na poziomie bajta
ROM (Read-Only Memory) pamięć stała - tylko odczyt, zapisywanie w trakcie wytwarzania
PROM (Programmable ROM) programowalna pamięć stała - tylko odczyt, wymazywanie światłem UV, zapisywanie elektryczne
EPROM (Erasable and Programmable ROM) wymazywalna i programowalna pamięć stała - głównie odczyt, wymazywanie światłem UV, zapisywanie elektryczne

Rodzaje pamięci półprzewodnikowych (cd):

pamięć błyskawiczna (flash memory) - głównie odczyt, wymazywanie elektryczne na poziomie bloku (256 B-16 KB), zapisywanie elektryczne; szybki odczyt, wolny zapis
EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM) wymazywalna i programowalna pamięć stała (na poziomie bajtu) - głównie odczyt, wymazywanie/zapisywanie elektryczne; szybki odczyt, wolny zapis
NVRAM (Non-Volatile RAM) - zwykle pamięć typu SRAM z baterią podtrzymującą zawartość po odłączeniu zasilania; szybki odczyt/zapis

Jak organizować pamięć, aby zmniejszyć czas dostępu do danych i instrukcji?

CPU-cache-magistrala-pamięć (1 słowo)
CPU-cache-magistrala-pamięć (szeroki dostęp do pamięci)
CPU-cache-magistrala-(bank 0, bank 1, ...) (pamięć z przeplotem, interleaved memory)
Przykład: Enterprise 6000 z pamięcią 1GB w jednym kawałku był 3-4 razy mniej wydajny niż z pamięcią 4x256MB
wydajność magistrali

Wydajność algorytmu (MC)SOR. 2. i 4. kolumna - czas w sec., 3. i 5. kolumna - szybkość w MFLOPS/s

system	SOR		MCSOR
Cray YMP	19.1	(25.7)	3.3	(149)
DEC 8400	5.3	(93.0)	12.1	(40.5)
IBM SP2^a	7.3	(67.2)	8.5	(57.7)
SGI Power Challenge^b	6.2	(79.1)	12.1	(40.5)
Sun Enterprise 6000^c	7.7	(63.7)	15.3	(32.1)
Compaq Proliant 5500^d	4.3	(114)	9.5	(51.6)
PC Pentium III^e	4.6	(107)	8.2	(59.8)
ADAX-Omega^f	1.0	(491)	1.6	(307)
Dell Power Edge 1750^g	0.68	(722)	1.30	(377)
PC Pentium IV^h	0.51	(963)	1.09	(450)
Intel Tigerⁱ	0.98	(501)	1.04	(472)
Sun Fire VZ20^j	0.46	(1067)	1.29	(381)
Sun Fire X4400^k	0.36	(1380)	0.80	(621)
PC E8400^l	0.24	(2047)	0.27	(1819)

^a RS6000/590, 66 MHz wide node	^b R8000, 90 MHz, 4MB cache	^c UltraSparc 167 MHz, 0.5 MB cache
^d 550 MHz, Linux Red Hat 8.0, g77	^e 550 MHz, Linux Red Hat 8.0, g77	^f Xeon 1.8 GHz, Linux Red Hat 8.0, g77
^g Xeon 3.06 GHz, Linux Red Hat 8.0, g77	^h Prescott 3.0 GHz, Linux, g77	ⁱ Itanium 2 1.4 GHz, Linux, ifort
^j Opteron 250 2.4 GHz, Linux (FC3), g77	^k Opteron 8380 2.5 GHz, Linux CentOS, gfortran
^l Intel E8400 3.00GHz (6 MB cache), Linux (Fedora9), gfortran

Magistrala (E)ISA

(E)ISA ((Extended) Industry Standard Architecture) rozszerzona architektura standardu przemysłowego:

ISA: 8 MHz, szerokość 8-bitów, szybkość 8 MB/s
EISA: 8 MHz, szerokość 32-bity, szybkość 33 MB/s

Magistrala PCI

PCI (Peripheral Component Interconnect) interfejs komponentów peryferyjnych:

32-bitowa szyna rozszerzeń dla komputerów zgodnych z IBM PC oraz Macintosh
opracowana przez firmę Intel w 1992 r. (mikroporcesor Pentium)
obsługuje standard podłącz i używaj (Plug and Play)

szybkość transferu danych

PCI32	33 MHz = 133 MB/s	66MHz = 266 MB/s
PCI64	33 MHz = 266 MB/s	66MHz = 533 MB/s
PCI-X	133 MHz = 1066 MB/s	266MHz = 2133 MB/s
PCIe(×1)	2.5 GHz = 2 Gb/s
PCIe(×16)	32 Gb/s
PCIe(×32)	64 Gb/s
PCIe 2.0 (×32)	128 Gb/s

Uniwersalna szyna szeregowa (USB, Universal Serial Bus):

standard szyny zewnętrznej do podłączania do komputera do 127 urządzeń peryferyjnych (jeden IRQ)
standard opracowany w 1995 r. wspólnie przez wiodących producentów sprzętu komputerowego i telekomunikacyjnego (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom, Philips)
szybkość: 12 Mb/s i 1.5 Mb/s (USB 1.1), 480 Mb/s (USB 2.0), 4.8 Gb/s (USB 3.0)
wyprowadzenie funkcji PnP poza komputer
łatwość rozmnażania portów (koncentratory, USB hubs)

USB łączy drukarki, skanery, kamery wideo, dyski, stacje dyskietek, klawiatury, myszy, joysticki, telefony, modemy, napędy CD-ROM, napędy taśmowe, urządzenia wideo MPEG-2, data gloves, digitalizatory (digitizers), itp.

Standard USB 2.0 jest wstecznie zgodny z USB 1.1; dla użytkownika nie ulega zmianie sposób podłączania urządzeń, wzrasta jedynie dostępne pasmo.

Dzięki USB tanieje i ulega uproszczeniu sposób podłączania urządzeń generujących duże ilości danych.

Powstanie USB jest wynikiem podejścia typu locked-box przy projektowaniu komputerów. Tworzenie zestawów komputerowych musi być łatwe i tanie. Można to osiągnąć poprzez zewnętrzą rozbudowywalną architekturę, której zasadnicze elementy to:

komputer jako sterownik sprzętowy i programowy
złącza i kable
łatwe w użyciu protokoły typu master-slave dla urządzeń peryferyjnych
łatwość rozbudowy (wieloportowe koncentratory)

Interfejsy dysków:

(E)IDE ((Extended)Intelligent/Integrated Drive Electronics) właściwie ATA (AT Attachement)

EIDE - napędy IDE z lat 1994-1997
UltraDMA (DMA-33, Ultra33, ATA-33)- napędy IDE z lat 1997-1999 (16 MB/s), najnowsze napędy CD-ROM and CD-RW
ATA-66 (Ultra66, DMA-66) - napędy IDE z lat 1999-2000
ATA-100, ATA-133 - szybkość transferu do 133 MB/s per (teoret.)

Ograniczenie: każdy sterownik IDE potrzebuje IRQ i może obsłużyć 2 urządzenia wewnętrzne (master i slave).

Interfejsy dysków (cd):

Szeregowy ATA (serial ATA, SATA) - najnowsza wersja IDE

szybkość: 150 MB/s (1. generacja), 300 MB/s (2. generacja), 600 MB/s (docelowa)
połączenia punkt-punkt
możliwość podłączania wewnętrzych i zewnętrznych urządzeń
CRC (Cyclic Redundancy Check) dla pakietów danych, rozkazów i statusu
łatwość przyłączenia (wsparcie dla hot swapping)

SCSI (Small Computer Systems Interface)

jeden IRQ, obsługa do 16 urządzeń (w tym sterownik), dyski, napędy CD-ROM, napędy taśmowe (streamer), skanery
SCSI: 3 MB/s
Fast SCSI: 8 MB/s
Fast & Wide SCSI: 16 MB/s
Ultra3 SCSI (Ultra 160): 30 MB/s
SAS (Serial Attached SCSI): 80 MB/s (wg normy 1.5, 3.0 lub 6.0 Gbit/s)

Urządzenia EIDE i UltraDMA bardziej obciążają CPU niż urządzenia SCSI.

SCSI (Small Computer Systems Interface)

	Clock	Bus	Max Bus	Max. Bus			Max.
STA Terms	Speed	Speed	Width	Lengths(m)			Dev.
	(MHz)	(MB/s)	(bits)	SE	LVD	HVD	Supp.
SCSI-1	5	5	8	6	(3)	25	8
Wide SCSI	5	10	16	3	(3)	25	8
Fast SCSI	10	10	8	3	(3)	25	8
Fast Wide SCSI	10	20	16	3	(3)	25	16
Ultra SCSI	20	20	8	1.5	(3)	25	8
Ultra SCSI	20	20	8	3	-	-	4
Wide Ultra SCSI	20	40	16	-	(3)	25	16
Wide Ultra SCSI	20	40	16	1.5	-	-	8
Wide Ultra SCSI	20	40	16	3	-	-	4
Ultra2 SCSI	40	40	8	(4)	12	25	8
Wide Ultra2 SCSI	40	80	16	(4)	12	25	16
Ultra3 SCSI	80	160	16	(4)	12	(5)	16
Ultra320 SCSI	160	320	16	(4)	12	(5)	16

Jak system wykonuje zadania?

Monitor prosty
Praca pośrednia
Buforowanie
Spooling
Wieloprogramowość
Systemy z podziałem czasu

Monitor prosty

W czasie instalowania taśm jednostka centralna była bezczynna. Komputery były drogie i ich czas był cenny.

Rozwiązanie:

zatrudnienie profesjonalnych operatorów
przetwarzanie wsadowe (batch processing)
automatyczne porządkowanie zadań (automatic job sequencing)
monitor rezydujący - automatyczne przekazywanie sterowania od zadania do zadania; karty sterowania zadaniami (JCL, Job Control Language)

program ładujący

porządkowanie zadań

interpretator kart

sterujących

obsługa wej-wyj

obszar programu

użytkownika

Monitor rezydujący w pamięci

Praca pośrednia

Wolne operacje wej-wyj wykonywane przez mniejsze, satelitarne minikomputery.
Jednostka główna czyta dane z taśmy magnetycznej i umieszcza wyniki na taśmie magnetycznej.
Obsługa czytników kart i drukarek wierszowych w trybie pośrednim (off-line).
Niezależność od urządzeń wej-wyj; programy pisane z myślą o korzystaniu z logicznych, a nie fizycznych urządzeń peryferyjnych.

Buforowanie

Buforowanie jest metodą jednoczesnego wykonywania obliczeń i operacji wej-wyj dla danego zadania.
Zadania uzależnione od wej-wyj (I/O bound) - prędkość przetwarzania zależna od szybkości urządzeń wej-wyj.
Zadania uzależnione od jednostki centralnej (CPU bound) - bufor wejściowy zawsze pełny, bufor wyjściowy zawsze pusty.

Spooling

spooling (Simultaneous Peripheral Operation On-Line) jednoczesna bezpośrednia praca urządzeń
spooling jest stał się możliwy, gdy rolę taśm magnetycznych przy przetwarzaniu pośrednim zastąpiły dyski
spooling umożliwia wykonywanie operacji wej-wyj jednego zadania i obliczeń dla innych zadań
spooling wytwarza pulę zadań do wykonania i umożliwia planowanie zadań i wieloprogramowość

Wieloprogramowość

Praca pośrednia, buforowanie, spooling mają swoje ograniczenia. Jeden użytkownik nie jest w stanie angażować stale urządzeń wej-wyj i jednostki centralnej!

monitor

zadanie 1

zadanie 2

zadanie 3

zadanie 4
Realizacja wieloprogramowości wymaga skomplikowanego systemu operacyjnego: ochrona zadań między sobą i planowanie przydziału procesora, kolejki, partycje o stałych lub zmiennych wielkościach
Prosty model wykorzystania CPU:
- n-procesów, każdy spędza częśc p swego czasu w stanie I/O
- pⁿ - prawdopodobieństwo, że n-procesów będzie w stanie I/O
- wykorzystanie CPU = 1−pⁿ
Znaczenie pamięci w wydajnym funkcjonowaniu współczesnych systemów operacyjnych.

Systemy z podziałem czasu

praca wsadowa a praca interakcyjna
wieloprogramowość → wielozadaniowość (=podział czasu)
system z podziałem czasu - wielu użytkowników dzieli jeden komputer
systemy z podziałem czasu są skomplikowane, gdyż wymagają:
- realizacji mechanizmów działań współbieżnych
- zarządzania pamięcią
- ochrony pamięci
- planowania przydziału CPU
- administrowania pamięcią dyskową
- systemu plików dostępnych bezpośrednio

Systemy wieloprocesorowe

symetryczne (SMP, Symmetric MultiProcessing), asymetryczne
rozproszone
- podział zasobów
- przyspieszenie obliczeń
- niezawodność
- komunikacja

Rygorystyczne systemy czasu rzeczywistego

sterowniki urządzeń o ścisłe określonym zastosowaniu: nadzorowanie procesów produkcyjnych, eksperymentów naukowych, kierowanie sygnalizacją świetlną, autopilot, itp.
działanie podlega ostrym rygorom czasowym

Łagodne systemy czasu rzeczywistego: działanie podlega złagodzonym rygorom czasowym. Zastosowania: techniki multimedialne, tworzenie wirtualnej rzeczywistości, urządzenia zdolne do samodzielnej eksploracji.

Systemy z obsługą przerwań

Synchroniczne i asynchroniczne operacje wej-wyj.

W systemach wieloprogramowych i z podziałem czasu operacje wej-wyj nakłada się na działanie jednostki centralnej (asynchroniczne wej-wyj).

Jak ma współdziałać jednostka centralna z urządzeniami wej-wyj?

Aktywne czekanie:

sprawdź czy drukarka jest gotowa na przyjęcie następnego znaku
jeśli nie jest gotowa, to idź do punktu 1
jeśli drukarka jest gotowa (po wydrukowaniu znaku), to sprawdź czy jest do wydrukowania nowy znak
jeśli jest nowy znak, to idź do punktu 1
jeśli nie ma więcej znaków, to drukowanie zostało zakończone

Odpytywanie (polling):

wybierz kolejne urządzenie wymagające obsługi
sprawdź, czy to urządzenie wymaga obsługi
jeśli tak, to uruchom procedurę obsługi urządzenia
jeśli nie, to przejdź do punktu 1.

Jak zapewnić synchronizację działania poszczególnych elementów systemu komputerowego?

przesyłanie danych sterowane przerwaniami (w przeciwieństwie do schematu opartego na aktywnym czekaniu i odpytywaniu)
przesyłanie danych na zasadzie bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA, Direct Memory Access)

Sterownik urządzenia (device controler) związany jest z konkretnym urządzeniem i rozporządza lokalnym buforem i zbiorem rejestrów o specjalnym przeznaczeniu. Odpowiada za przesyłanie danych między urządzeniem zewnętrznym, a własnym buforem.

Moduł/program sterujący/obsługi urządzenia (driver) jest odpowiedzialny od strony systemu operacyjnego za komunikację ze sterownikiem urządzenia.

Systemy z obsługą przerwań są kierowane zdarzeniami generowanymi przez

sprzęt (zegar i urządzenia I/O) - przerwania
oprogramowanie (błędy programisty, nieprawidłowe operacje) - wyjątki, pułapki

Jak działa przerwanie?

jednostka centralna inicjuje przesyłanie danych przez wprowadzenie pewnych wartości do odpowiednich rejestrów sterownika urządzenia
sterownik urządzenia rozpoczyna działanie (gromadzenie danych w buforze)
sterownik urządzenia powiadamia procesor o zakończonej pracy generując określone przerwanie
procesor wstrzymuje bieżącą pracę, odkłada na stos adres przerwanego rozkazu, określa źródło przerwania i przekazuje sterowanie do procedury obsługi przerwania (interrupt handler, interrupt service routine (ISR) ) wykorzystując wektor przerwań lub odpytywanie
przesłanie danych z bufora do programu użytkownika
wznowienie przerwanej pracy

Procedura obsługi przerwania jest częścią modułu obsługi urządzenia, czyli kodu jądra zarządzającego urządzeniem.

Przerwania (zdarzenia) dzieli się na:

asynchroniczne (przerwania) - generowane przez inne urządzenia sprzętowe w dowolnym czasie, niezależnie od sygnałów zegarowych procesora.
synchroniczne (wyjątki) - tworzone przez jednostkę sterowania procesora podczas wykonywania instrukcji (są synchroniczne, bo generowane są po zakończeniu wykonywania instrukcji)

Podział przerwań i wyjątków wg dokumentacji Intela

Przerwania:

maskowalne - wszystkie IRQ (Interrupt ReQuests) generowane przez urządzenia I/O powodują powstanie przerwań maskowalnych (pin INTR procesora)
niemaskowalne - tylko kilka krytycznych zdarzeń, np. awaria sprzętu, powoduje wygenerowanie przerwań niemaskowalnych (pin NMI, NonMaskable Interrupts)

Podział przerwań i wyjątków wg dokumentacji Intela (cd)

Wyjątki:

wyjątki wykrywane przez procesor - generowane, gdy proces wykryje nieprawidłowości przy wykonywaniu instrukcji (IEEE 754: niedomiar (underflow), nadmiar (overflow), dzielenie, niepoprawna operacja, niedokładna operacja, dzielenie przez zero.
błędy (faults) - instrukcja, która spowodowała błąd może być wznowiona
pułapki (traps) - licznik instrukcji jest ustawiany na adres kolejnej instrukcji (śledzenie programu)
załamania (aborts) - wystąpił poważny błąd i jednostka sterowania nie może zachować adresu instrukcji; zwykle oznacza zakończenie procesu, który spowodował załamanie
wyjątki programowe (przerwania programowe) - występują na żądanie programisty

Wady sterowania przerwaniami:

szybkość transferu wej-wyj jest ograniczona szybkością, z jaką procesor może testować i obsługiwać urządzenie
procesor jest zajęty zarządzaniem przesyłania z wejścia i na wyjście (wykonywane są specjalne rozkazy)

Szybkie urządzenia wej-wyj oraz urządzenia przesyłające duże ilości danych wymagają bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA, Direct Memory Access).

Bezpośredni dostęp do pamięci wymaga dodatkowego modułu na magistrali systemowej (moduł DMAC, DMA Controller).

Transfer danych wymaga przekazania przez procesor do modułu DMA rozkazu zawierającego informacje:

czy wymagany jest odczyt/zapis
adres urządzenia wej-wyj
adres początkowej komórki pamięci z danymi (na dane)
liczbę słów do przesłania

Procesor inicjuje przesłanie danych i kontynunuje przetwarzanie do momentu nadejścia przerwania od modułu DMAC.

Uwaga! Sterowanie zdarzeniami (przerwaniami) rodzi problem synchronizacji w dostępie do zasobów.

Struktura wejścia-wyjścia

Każde przerwanie lub wyjątek jest identyfikowane przez liczbę z zakresu od 0 do 255 (Intel nazywa tę 8-bitową liczbę bez znaku wektorem). Wektory przerwań niemaskowalnych i wyjątków są stałe.

Wektory 0-31 odpowiadają wyjątkom i przerwaniom niemaskowalnym.
Wektory 32-47 są przyporządkowane przerwaniom maskowalnym.
Wektory 48-255 mogą być używane do identyfikowania przerwań programowych.

Linux używa tylko wektora 128, czyli 0x80, za pomocą którego realizowane są wywołania systemowe. Instrukcja asemblera int 0x80 powoduje przełączenie procesora w tryb jądra i zaczyna się wykonywanie funkcji jądra system_call().

Sterownik urządzenia sprzętowego, generuje przerwanie korzystając z linii IRQ (Interrupt ReQuest, żadanie przerwania). Wszystkie linie IRQ są podłączone do pinów wejściowych układu o nazwie sterownik przerwań, który wykonuje następujące zadania:

monitoruje linie IRQ sprawdzając podnoszone sygnały
jeżeli na linii IRQ zdarzy się podniesienie sygnału:
1. tłumaczy otrzymany sygnał na odpowiedni wektor
2. zachowuje wektor w porcie I/O sterownika przerwań, co pozwala na odczytanie go przez procesor za pomocą szyny danych
3. wysyła sygnał do pinu INTR procesora (generuje przerwanie)
4. czeka, aż procesor potwierdzi sygnał przerwania poprzez zapisanie do jednego z portów programowalnych sterowników przerwań (ang. Programmable Interrupt Controllers, PIC).
wraca do punktu 1

Przyporządkowanie IRQ do urządzeń I/O (chip 8259A)

IRQ	INT	urządzenie sprzetowe
0	32	zegar
1	33	klawiatura
2	34	kaskada PIC
3	35	drugi port szeregowy
4	36	pierwszy port szeregowy
5	37	karta dźwiękowa
6	38	stacja dysków
7	39	port równoległy
8	40	zegar systemowy
11	43	interfejs sieciowy
12	44	mysz PS/2
13	45	koprocesor matematyczny
14	46	pierwszy łańcuch sterownik dysków EIDE
15	47	drugi łańcuch sterownika dysków EIDE

APIC dla procesorów Intel Xeon w systemach SMP³

Figure

Przyporządkowywanie przerwań (/var/log/messages):

<Sep 22 09: ... kernel: ttyS00 at 0x03f8 (irq = 4) is a 16550A
Sep 22 09: ... kernel: PCI: Found IRQ 5 for device 00:08.0
Sep 22 09: ... kernel: maestro: Configuring ESS Maestro 2E found at IO 0xD800 IRQ 5
Sep 22 09: ... kernel: parport0: irq 7 detected
Sep 22 09: ... kernel: lp0: using parport0 (polling).
Sep 22 09: ... kernel: ttyS04 at port 0x4880 (irq = 11) is a 16550A
Sep 22 22: ... kernel: eth0: Xircom Cardbus Adapter rev 3 at 0x4800, 00:10:A4:D2:52:55, IRQ 11.
Sep 22 09: ... kernel: ide0 at 0x1f0-0x1f7,0x3f6 on irq 14
Sep 22 09: ... kernel: ide1 at 0x170-0x177,0x376 on irq 15

Monitorowanie przerwań sprzętowych (cd)

Przykład 1: 2.6.23.17-88.fc7 i686

 
# cat /proc/interrupts
           CPU0
  0:    7813392   IO-APIC-edge      timer
  1:      53984   IO-APIC-edge      i8042
  7:          0   IO-APIC-edge      parport0
  8:          7   IO-APIC-edge      rtc
  9:         16   IO-APIC-fasteoi   acpi
 12:     573913   IO-APIC-edge      i8042
 14:     203257   IO-APIC-edge      libata
 15:    5133538   IO-APIC-edge      libata
 16:     920706   IO-APIC-fasteoi   uhci_hcd:usb1, ehci_hcd:usb5, Intel ICH6, i915@pci:0000:00:02.0
 17:          1   IO-APIC-fasteoi   yenta, uhci_hcd:usb4
 18:     481565   IO-APIC-fasteoi   uhci_hcd:usb2, ipw2200
 19:      15593   IO-APIC-fasteoi   uhci_hcd:usb3
NMI:          0
LOC:    3087801
ERR:          0
MIS:          0

Monitorowanie przerwań sprzętowych (cd)

Przykład 2: Linux 2.6.18-92.1.10.el5 x86_64

 
# cat /proc/interrupts
           CPU0       CPU1
  0:  799260896          0    IO-APIC-edge  timer
  1:        140        100    IO-APIC-edge  i8042
  6:          5          0    IO-APIC-edge  floppy
  8:          0          0    IO-APIC-edge  rtc
  9:          0          0    IO-APIC-level  acpi
 12:        115          0    IO-APIC-edge  i8042
 15:    7173047       3915    IO-APIC-edge  ide1
169:          0          0    IO-APIC-level  ohci_hcd:usb1, ohci_hcd:usb2
177:     567795     125000    IO-APIC-level  ioc0
185:    6118456      40533    IO-APIC-level  eth0
NMI:       2770       1163
LOC:  799176280  799176233
ERR:          0
MIS:          0

Ewolucja funkcjonowania wej-wyj

Procesor bezpośrednio steruje urządzeniem peryferyjnym.
Urządzenie peryferyjne dysponuje sterownikiem, brak przerwań.
Urządzenie peryferyjne dysponuje sterownikiem, przerwania.
Moduł wej-wyj ma bezpośredni dostęp do pamięci (poprzez DMA).
Moduł wej-wyj staje się procesorem o wyspecjalizowanej liście rozkazów (program wykonywany jest w pamięci głównej); kanał wej-wyj.
Moduł wej-wyj uzyskuje własną pamięć (staje się komputerem); procesor wej-wyj.

Pierścienie uprzywilejowania⁴

Figure

Dualny tryb pracy

system operacyjny musi gwarantować, że niepoprawny program nie będzie mógł zakłócić działania innych programów
niepoprawnie działający program musi generować przerwanie
ochronie muszą podlegać wszelkie zasoby dzielone
sprzęt pozwalający odróżnić dwa tryby pracy: tryb użytkownika oraz tryb monitora (nadzorcy, systemu)
każde przerwanie powoduje przejście systemu z trybu użytkownika do trybu monitora
dualny tryb pracy jest uzupełniony listą uprzywilejowanych rozkazów maszynowych, które mogą być wykonywane tylko w trybie monitora

Dualny tryb pracy (cd)

tryb nadzorcy (monitora) - w tym trybie wykonywane są rozkazy uprzywilejowane, np. rozkazy wejścia-wyjścia, zmieniające stan rejestrów zarządzających pamięcią i czasomierzem, rozkaz halt, rozkazy włączania/wyłączania przerwań
tryb użytkownika - program użytkownika wykonuje rozkazy uprzywilejowane poprzez wywołanie systemowe (system calls).

Odwołanie do systemu jest traktowane przez sprzęt jak przerwanie programowe. Poprzez wektor przerwań sterowanie przekazywane jest do odpowiedniej procedury obsługi w systemie operacyjnym.

Rodzaj usługi, na którą zgłasza zapotrzebowanie użytkownik jest określony przez parametr odwołania do systemu.

System operacyjny wykonuje na życzenie użytkownika operacje zastrzeżone dla nadzorcy.

Przerwania programowe i wywołania systemowe

Z punktu widzenia programisty wywołania systemowe nie istnieją. Programista korzysta jedynie z programowego interfejsu aplikacji (API Application Programming Interface) dostarczanego przez system.⁵

Interfejs wywołań systemowych w Linuksie (większości Uniksów) stanowi częściowo biblioteka C.

Aplikacja:	wywołanie funkcji printf()
Biblioteka C:	printf() → write()
Jądro:	wywołanie systemowe write()

Wywołania systemowe są niezbędne, gdyż aplikacje działające w przestrzeni użytkownika nie mogą wykonać kodu jądra. Aplikacja nie może bezpośrednio zainicjować wywołania funkcji operacji jądra, ponieważ jądro jest umieszczone i działa w chronionym obszarze pamięci operacyjnej.

Przerwania programowe i wywołania systemowe

Przerwanie programowe implementuje w procesorach rodziny x86 instrukcja int $0x80. Powoduje ona przełączenie systemu do trybu jądra i rozpoczęcie wykonywania wektora przerwania 128, który wskazuje na adres procedury obsługi wywołań systemowych system_call() (zdefiniowana w pliku entry.S).

Numer identyfikujący wywołanie systemowe jest umieszczany w rejestrze eax. Rejestry (ebx, ecx, edx, esi, edi) są (zwykle) używane do przekazywania argumentów wywołania systemowego. Przed użyciem dokonywana jest dokładna weryfikacja przekazanych argumentów.

Przerwania programowe i wywołania systemowe (cd)

Fragment pliku include/asm/unistd.h, który zawiera numery wywołań systemowych:

 
#define __NR_restart_syscall      0
#define __NR_exit		  1
#define __NR_fork		  2
#define __NR_read		  3
#define __NR_write		  4
#define __NR_open		  5
#define __NR_close		  6
#define __NR_waitpid		  7
...
#define __NR_execve		 11
#define __NR_chdir		 12
#define __NR_time		 13
#define __NR_mknod		 14
#define __NR_chmod		 15
...
#define __NR_fchmodat		306
#define __NR_faccessat		307
#define __NR_pselect6		308
#define __NR_ppoll		309

Ochrona sprzętowa

wszelkie rozkazy wej/wyj są uprzywilejowane (także rozkaz halt)
ochrona wektora przerwań, procedur wej/wyj
ochrona pamięci realizowana przez sprzęt (adres bazowy i graniczny)
generowanie przerwania od czasomierza (co kwant czasu)

Footnotes:

¹dynopt.dtc.umn.edu/documents/IA-OPTIMIZATION-Ref-Manual.pdf

²http://www.netrino.com/Publications/Glossary/MemoryTypes.html

³ Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 3A: System Programming Guide, Part 1

⁴http://en.wikipedia.org/wiki/Ring_(computer_security).

⁵API Linuksa jest zgodny ze standardem POSIX (Portable Operating System Interface).

File translated from T_EX by T_TH, version 3.85.
On 22 Sep 2010, 13:18.