Počítačové a operační systémy

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STAVEBNÍ
JIŘÍ MACUR
INFORMATIKA
MODUL 01
POČÍTAČOVÉ A OPERAČNÍ SYSTÉMY

STUDIJNÍ OPORY
PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy



































© Jiří Macur, 2004
Obsah

OBSAH
Vstupní informace k modulu............................................................................5
Cíle ...............................................................................................................5
Požadované znalosti .......................................................................................5
Doba potřebná ke studiu.................................................................................5
Klíčová slova ..................................................................................................5
Použitá terminologie.......................................................................................5
Metodický návod na práci s textem................................................................5
1 Úvod ...............................................................................................................7
1.1 Úkoly operačního systému....................................................................7
1.2 Základní komponenty počítačových systémů.......................................7
1.3 Stručný přehled typů systémů...............................................................8
2 Konstrukce a struktury počítačového systému........................................10
2.1 Základní architektura počítače ............................................................10
2.1.1 Instrukční cyklus a instrukční tabulka ..................................11
2.1.2 Struktura procesoru a jeho instrukce.....................................11
2.1.3 Komunikace procesoru s pamětí, vnitřní sběrnice, cache.....14
2.2 Periferní zařízení .................................................................................15
2.2.1 Vstupně–výstupní sběrnice a porty.......................................17
2.2.2 Mechanismus přerušení ........................................................17
2.2.3 Mechanismus přímého přístupu do paměti...........................18
2.2.4 Programová obsluha zařízení................................................19
2.3 Paměťové struktury.............................................................................20
2.4 Mechanismy ochrany ..........................................................................21
2.5 Architektura osobních počítačů ..........................................................22
2.5.1 Vnitřní a vnější sběrnice .......................................................22
2.5.2 Procesory...............................................................................25
2.5.3 Operační paměť ....................................................................27
2.5.4 BIOS .....................................................................................28
2.5.5 Diskové paměti .....................................................................29
2.5.6 Univerzální rozhraní PC .......................................................30
3 Subsystémy operačního systému...............................................................32
3.1 Správa procesů....................................................................................32
3.1.1 Vlákna...................................................................................34
3.2 Správa operační paměti.......................................................................34
3.2.1 Virtuální paměť.....................................................................35
3.3 Souborový systém...............................................................................36
3.3.1 Alokační jednotky disku, souborový systém FAT................37
3.3.2 Souborový systém NTFS ......................................................38
3.4 Správa zařízení....................................................................................39
3.5 Systém ochrany a bezpečnosti ............................................................40
4 Architektura a služby operačního systému..............................................42
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy


5 Vlastnosti operačního systému Windows XP .......................................... 44
6 Vlastnosti operačního systému Linux ...................................................... 46
7 Autotest ....................................................................................................... 48
Závěr ................................................................................................................ 51
Shrnutí.......................................................................................................... 51
Klíč k autotestu ............................................................................................ 51
Studijní prameny.......................................................................................... 52
Seznam použité literatury................................................................... 52
Seznam doplňkové studijní literatury................................................. 52
Odkazy na další studijní zdroje a prameny......................................... 52
Vstupní informace k modulu
- 5 -
Vstupní informace k modulu
Cíle
Čtenář by měl získat přehled o základních principech, na nichž je založena
architektura současných osobních počítačů jak po technické stránce (hard-
ware), tak zejména po stránce programové (software). Text je určen pro stu-
denty technicky orientovaných oborů mimo oblast informačních technologií.
Požadované znalosti
K přečtení a porozumění tomuto textu jsou potřebné základní znalosti
z informatiky v rozsahu vyučovaném běžně na středních školách. Zejména je
očekávána dovednost uživatelské práce s operačním systémem typu Windows
a/nebo Unix.
Doba potřebná ke studiu
Je velmi individuální podle znalostí čtenáře. Pro velmi skromné znalosti je
uvedená doba cca 6 hodin.
Klíčová slova
Architektura počítače, operační systém, procesor, operační paměť, sběrnice,
I/O zařízení, I/O řadič, proces, vlákno, virtuální paměť, souborový systém,
Windows XP, Linux
Použitá terminologie
Diskutovaná problematika se rychle vyvíjí, proto je česká terminologie značně
neustálená. V textu je většinou uváděna i ekvivalentní anglická terminologie
spolu s příslušnými zkratkami.
Metodický návod na práci s textem
Text je určen zejména pro všeobecné pochopení stěžejních principů, které se
dnes uplatňují v základní technické a programové výbavě osobních počítačů –
hlavního proudu výpočetní techniky. Předpokládá se, že text doplní a uspořádá
fragmentární znalosti, kterými čtenář již disponuje. Není vhodné se s textem
seznamovat encyklopedickým způsobem, spíše přemýšlet nad obecnými prin-
cipy tak, jak si je vynutil technologický pokrok, a jejich možnými alternativa-
mi, které se neprosadily často pouze z komerčních důvodů.
Čtenář by se neměl nechat odradit některými složitějšími a konkrétnějšími od-
stavci. Většinou jsou uvedeny proto, že kvůli těmto konkrétnějším konstrukcím
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

- 6 -
a postupům vznikla obecná řešení, která by bez uvedení kontextu působila zby-
tečně složitým dojmem. Je třeba mít na paměti, že technické a programové
prostředky se vyvíjejí ve vzájemné symbióze, a nelze je tedy studovat odděle-
ně.

Úvod
- 7 -
1 Úvod
1.1 Úkoly operačního systému
Operační systém je základní programové vybavení, které je prostředníkem me-
zi uživatelem počítače a technickými prostředky počítače (hardware).
Z hlediska používání počítače je dnes zcela nezbytnou součástí, bez níž nelze
s počítačem pracovat.
Hlavním úkolem operačního systému je spouštět a řídit běh uživatelských pro-
gramů, usnadnit uživateli práci s počítačem a přitom využít co nejefektivněji
technické prostředky počítače.
Pro efektivní práci s operačním systémem je pro uživatele výhodné mít zběžný
přehled i o technickém vybavení počítače a jeho základních funkcích.
V opačném případě je obtížné provádět konfiguraci a přizpůsobení operačního
systému vlastním potřebám.
1.2 Základní komponenty počítačových systémů
Při popisu práce počítače musíme vycházet z obecnějšího pohledu na celý sys-
tém. Jeho součásti jsou pak následující:
• Hardware (procesory, paměti, vstupní/výstupní zařízení).
• Operační systém – řídí a koordinuje využívání hardware ze strany růz-
ných uživatelských programů a jejich uživatelů.
• Aplikační programy – definují způsob, kterým jsou prostředky počítače
využity pro řešení uživatelských úloh (programy kancelářské, obchod-
ní, databázové, vývoj nových programů, CAD, hry apod.).
• Uživatelé – lidé, počítače a jiné stroje.
Obr. 2.1 – Schéma počítačového systému
Aplikační (a systémové) programy
Textový editor Databázový systém … Hra
Operační systém
Hardware
Uživatel
1
Uživatel
2
Uživatel
n
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

- 8 -
1.3 Stručný přehled typů systémů
První sálové počítače (mainframes) disponovaly velmi primitivním operačním
systémem, který umožňoval obsluze pouze postupné (sekvenční) spouštění
uživatelských programů. Po skončení jednoho programu byl operační systém
schopen zavést pomocí obsluhy další program obvykle z papírových medií
(děrné štítky a pásky) do operační paměti, kde ho mohl procesor vykonat (job).
Sálové počítače s možností dávkového spouštění více programů (multipro-
grammed systems) umožňovaly paralelní zavedení programů do operační pa-
měti. Operační systém pak přepínal procesor mezi jednotlivými sekcemi pamě-
ti s různými joby (processor multiplexing).
Obr. 2.2 – Schéma obsazení operační paměti
Operační systém provozovaný na tomto typu systémů již musel zajišťovat ná-
sledující úkoly:
• Plánování a přidělování procesoru různým jobům (CPU scheduling) –
operační systém musel vyhodnotit, který job je připraven k převzetí ří-
zení (podle priority a okamžitého stavu).
• Správa paměti (memory management) – nutnost rozdělit operační pa-
měť do disjunktních bloků pro jednotlivé joby.
• Obsluha vstupních/výstupních zařízení (I/O device drivers) výhradně
prostřednictvím operačního systému – jednotlivé joby nemohou praco-
vat s technickými prostředky přímo. Hrozí totiž riziko současných po-
žadavků na jedno zařízení ze strany více jobů.
• Zamykání vstupních/výstupních zařízení (I/O device allocation) – me-
chanismus zabraňující požadavkům na zařízení v době, kdy je využívá-
no jiným jobem.
Systémy sdíleného času (Time Sharing Systems) již umožňovaly interaktivní
práci (on-line) více uživatelům. Pracovaly vesměs s diskovými pamětmi, které
umožnily automatizaci spouštění programů a přenášení jobů mezi operační
pamětí a diskem (swapping). Uživatel mohl zadávat příkazy operačnímu sys-
tému pomocí univerzální klávesnice a sledovat data a stavy jobů na monitoru.
Stolní systémy, osobní počítače (desktop systems) – určené pro jednoho uživa-
tele. Standardní interaktivní zařízení jsou doplněna o polohovací zařízení
(myš). Provozovaný operační systém je orientován zejména na uživatelské po-
Operační systém
Job 1
Job 2
Job n
…
Úvod
- 9 -
hodlí a rychlou odezvu. Zpočátku jsou kvůli vyššímu výkonu potlačeny funkce
zajišťující společnou práci více uživatelů a bezpečnost procesů a dat.
S rostoucím výkonem hardware osobních počítačů se postupně vracejí do jejich
operačních systémů vlastnosti, které byly dříve nutné pouze pro velké sálové
počítače.
Paralelní systémy – obsahují více procesorů. Podle organizace jejich přidělo-
vání jednotlivým jobům jsou rozděleny na
• Symetrické (symmetric multiprocessing) – každému procesoru je přidě-
lena identická kopie operačního systému. Tato kopie pak řídí přepínání
procesoru mezi jednotlivými joby v operační paměti. Paměť je sdílena
všemi procesory. Tento typ paralelismu podporuje většina moderních
operačních systémů.
• Asymetrické (asymmetric multiprocessing) – každému procesoru je
přidělován speciální job vybraný řídicím procesorem (master procesor).
Používáno pouze u speciálních vysoce výkonných supersystémů.
Distribuované systémy – tvořené procesory volně spojenými obvykle pro-
střednictvím počítačové sítě. Každý procesor má k dispozici vlastní operační
paměť a další zařízení. Systémy umožňují rozložení zátěže, uživatelskou ko-
munikaci, sdílení prostředků. Podle typu řízení se dělí na systémy peer-to-peer
(přímá komunikace dvou rovnoprávných systémů) a klient-server (s privilego-
vaným serverem komunikují a vyžadují služby klientské systémy).
Klastry (clustered systems) – umožňují distribuovaným systémům sdílení pa-
měti (disků). Jsou používány zejména pro zvýšení spolehlivosti. V asymetrické
variantě provádí aplikaci vždy právě jeden systém (server), v případě potřeby
(poruchy) přebírá činnost jiný systém v klastru. V symetrické variantě provádě-
jí všechny systémy aplikaci paralelně.
Systémy reálného času (real time systems) – garantují vykonání speciálních
úloh v definovaném časovém intervalu. Používají se například při řízení vě-
deckých experimentů v lékařství, robotice apod. V hardwarové variantě obvyk-
le nepoužívají žádná zařízení s neurčitou odezvou (disky). V softwarové vari-
antě jsou používány v systémech virtuální reality, řízení technologických pro-
cesů apod.
Kapesní systémy (handheld systems) – osobní asistenti a plánovače (Personal
Digital Assistent – PDA), celulární telefony. Disponují omezeným množstvím
paměti pomalejšími procesory a maloformátovým displejem. Operační systém
se musí přizpůsobit značným omezením.

Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

- 10 -
2 Konstrukce a struktury
počítačového systému
Architektura současných počítačů je velmi složitá. Opírá se sice o určitá obec-
ná teoretická východiska, ale i ta jsou pro účely tohoto textu příliš kompliko-
vaná. Proto si základní principy vysvětlíme na silně zjednodušeném modelu
počítače.
2.1 Základní architektura počítače
Základními komponenty našeho modelu tvoří procesor (CPU – Central Proces-
sing Unit) a operační paměť (RAM – Random Access Memory).
Obě komponenty spolu oboustranně komunikují: procesor nejenže požaduje od
operační paměti informace, ale zároveň je tam také ukládá.
Abychom pochopili činnost počítače, vyjdeme ze struktury operační paměti.
Paměť je rozdělena na posloupnost elementárních informačních buněk – pro
jednoduchost představovaných v našem modelu bajty. Každá buňka má přiřa-
zeno pevné identifikační číslo, tzv. adresu. Adresy tvoří souvislý sled celých
čísel. Obsah buněk – bajtů na jednotlivých adresách je samozřejmě tvořen
uspořádanou osmicí bitů s nějakou hodnotou – např. 10011101.
Obr. 2.1 – základní komponenty počítače

Procesor
01001011
10000010
01001111
10101011
00001000
00000001
00000010
00000011
00000100
00000000
Adresa Obsah
Paměť
Záměrně je adresa i
její obsah znázorněn
ve dvojkové (binární)
soustavě. Počítač sa-
mozřejmě jinou sou-
stavu nepoužívá.
Běžně se však tyto
informace v doku-
mentech vyjadřují
spíše hexadecimálně.
Konstrukce a struktury počítačového systému
- 11 -
Protože lze na obsah bajtu pohlížet jako na číslo vyjádřené ve dvojkové (binár-
ní) soustavě, můžeme také říci, že obsah bajtu je číslem v rozsahu 0 – 255, tj.
v úvahu připadá celkem 2
8
možností obsahu bajtu.
Z konstrukčního hlediska je dvojková soustava nejvýhodnější, a proto jsou
všechny typy informací v počítači (ve skutečnosti tedy i adresa a její obsah)
realizovány pomocí nul a jedniček. Pro nás je však vyjadřování v této soustavě
příliš obšírné. Proto používáme stručnější zápis v jiných soustavách, zejména
v šestnáctkové (hexadecimální) pro její zřejmé výhody (úspornost – vyjádření
hodnoty bajtu dvěma ciframi, snadná konverze z primární dvojkové soustavy).
V textech popisujících adresy a obsah paměti se tedy obvykle setkáme s šest-
náctkovou, ale i osmičkovou nebo desítkovou soustavou, všechny údaje jsou
však ekvivalentní a skutečná realizace v počítači je vždy dvojková.
Snadnost vyjádření obsahu bajtu
v šestnáctkové soustavě ilustruje obrá-
zek. Předpokládáme, že čtenář je obe-
známen s vyjádřením čísla v různých
soustavách, zde např.
11011001
BIN
=D9
HEX
=217
DEC
=331
OCT

Adresa bajtu je celým číslem a na obsah bajtu lze také pohlížet jako na celé
číslo. Přesto jsou oba údaje velmi rozdílné a je důležité, abychom je nezamě-
ňovali.
2.1.1 Instrukční cyklus a instrukční tabulka
Předpokládejme, že procesor je zkonstruován tak, aby si po zapnutí vyžádal na
paměti obsah bajtu s adresou rovnou nule. Paměť poskytne obsah tohoto bajtu,
který procesor považuje za označení tzv. instrukce – nějaké elementární čin-
nosti, kterou budeme diskutovat níže. Instrukci vykoná a vyžádá si na paměti
další bajt s bezprostředně následující adresou (=1). Podle obsahu bajtu opět
provede elementární operaci – instrukci. Tímto způsobem prochází celou ope-
rační paměť.
Procesor v našem modelu je tedy zkonstruován tak, aby uměl provést 256 růz-
ných elementární činností, přičemž každá má svůj číselný identifikátor – tím je
právě obsah bajtu, který si procesor přečte z paměti. Popis instrukcí spolu
s jejich identifikátory se nazývá instrukční tabulka. Obecně je instrukční tabul-
ka pro každý typ procesoru jiná.
Uvedenou posloupnost operací, které procesor vykonává, nazýváme instrukční
cyklus:
1. vyžádání informace z definované adresy paměti – vyvolávací fáze (fetching)
2. nalezení instrukce podle přijaté informaci – dekódovací fáze (decoding)
3. vykonání zjištěné instrukce – prováděcí fáze (performing)
2.1.2 Struktura procesoru a jeho instrukce
Abychom si mohli objasnit podstatu elementárních operací – instrukcí proceso-
ru, musíme alespoň velmi zjednodušeně popsat jeho schéma:

1 1 0 1 1 0 0 1
7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. 0.
D 9
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

- 12 -
Obr. 2.2 – zjednodušené schéma procesoru
Stěžejní strukturou v procesoru jsou pro nás tzv. registry. Můžeme si je před-
stavit jako vnitřní paměť procesoru o několika bajtech. Každý registr má své
označení (jakousi formu adresy) v poněkud nesystematické podobě několika
písmen abecedy (např. AX, BX, SP apod.).
Registry lze rozdělit do dvou skupin: obecné (datové) registry a řídicí registry
s pevně daným významem. Nad datovými registry procesor typicky provádí
aritmetické a logické operace. Je to daleko efektivnější, než provádět tyto ope-
race přímo s bajty v operační paměti – rychlost přístupu procesoru ke svým
registrům na stejném čipu je totiž řádově vyšší než k buňkám relativně nezávis-
lé paměti.
Nyní se již můžeme vrátit k instrukcím procesoru, které lze roztřídit do několi-
ka skupin:
Aritmetické instrukce – s obecnými registry umí procesor provádět například
početní operace – na jejich obsah nahlíží jako na čísla (operandy), která umí
sečítat, odečítat, násobit a dělit. Výsledek ukládá obvykle do jiných registrů,
než byly registry s operandy instrukce. Výsledek může zabírat větší prostor než
operand (např. v případě násobení) – pak je uložen ve více registrech.
Logické instrukce – na obsah obecných registrů a jejich jednotlivé bity lze po-
hlížet jako na hodnoty logických proměnných