SKRIPTA - operačné systémy

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 a provádět s nimi základní lo-
gické operace (logický součet, součin, negaci apod.). Do této skupiny instrukcí
patří také operace, které mění pořadí bitů v registru (rotace a posuvy).
Přesunové instrukce – viděli jsme, že některé typy instrukcí procesor provádí
nad svými registry. Potřebujeme proto instrukce, které obsah obecných registrů
přesouvají do operační paměti na stanovené adresy nebo naopak plní datové
registry obsahem definovaných adres. Je zřejmé, že jednoduchá aritmetická
operace může vyžadovat více instrukcí: potřebná data načíst z operační paměti
do registrů, provést aritmetický úkon a výsledek přesunout z registrů zpět do
operační paměti.
Instrukce skoku – v našem modelu by procesor postupně vyvolával obsahy
bajtů na rostoucích adresách a jednou by nevyhnutelně dorazil na konec ope-
rační paměti. Procesor se však ve vykonávání instrukčních cyklů nikdy nemůže
zastavit. Nevyhnutelně proto musí existovat instrukce, která procesoru přikáže,
aby následující instrukce nebyla vyvolána z následující adresy, ale z libovolné
- 12 -
Konstrukce a struktury počítačového systému
jiné adresy v paměti. Tento typ instrukcí je realizován pomocí speciálního re-
gistru, tzv. čítače instrukcí. Tento registr obsahuje adresu v operační paměti,
z níž bude realizován příští instrukční cyklus procesoru. Standardní instrukce
v rámci instrukčního cyklu zvyšují obsah registru instrukcí automaticky na
adresu další buňky v operační paměti obsahující instrukci. Instrukce skoku
registr instrukcí prostě naplní nějakou obecnou adresou v paměti. Uvedený typ
instrukcí je často spojen s vyhodnocením určitých okolností souvisejících
s obsahem registrů. Skok se např. provede pouze v případě, že je požadovaná
podmínka splněna. Tento typ instrukcí se používá pro realizaci větvení algo-
ritmu.
Vstupně–výstupní instrukce jsou obdobou přesunových instrukcí. Přesouvají
obsah registrů do připojených periferních zařízení, resp. daty získanými
z periferií počítače plní registry procesoru. Uvedený popis ještě upřesníme
v části věnované vnějším zařízením.
Řídicí instrukce pracují zejména se stavovým registrem procesoru. Zde má
každý bit předem určený význam. Některé bity obsahují příznaky, které kvali-
tativně popisují průběh provádění předešlých instrukcí (např. zda došlo ke spe-
cifické chybě). Nastavením jiných bitů v registru lze změnit režim práce proce-
soru, ovlivnit provádění instrukcí apod.
Ve schématu procesoru vidíme ještě registr zásobníku. Jeho význam je úzce
spjat s prováděním podprogramů – často se opakujících sekvencí instrukcí.
Pokud procesor provádí program (vykonává instrukce podle obsahu buněk
v operační paměti) a pomocí instrukce skoku začne v určité chvíli provádět
podprogram, je třeba okamžitý stav procesoru někde uchovat, aby ho bylo
možné opět obnovit po ukončení podprogramu a pokračovat ve vykonávání
původního programu. Stav procesoru definovaný obsahem jeho registrů se
v takovém případě uloží do operační paměti od adresy, kterou obsahuje registr
zásobníku. Po uložení stavu se zásobník nastaví na další volnou adresu
v operační paměti tak, aby bylo možné uložit stav i v případě skoku do dalšího
vnořeného podprogramu. Při ukončování podprogramů dochází k inverzní ope-
raci: registry procesoru se naplní obsahem paměti z adresy určené registrem
zásobníku – tím se však obnoví také čítač instrukcí a procesor pokračuje v čin-
nosti, kterou prováděl před skokem do podprogramu. Registr zásobníku se rov-
něž vrátí na původní hodnotu.
Všimněte si, že
tímto způsobem je
počet úrovní
vnoření závislý
pouze na velikosti
dostupné paměti.
A ještě pozornější by
mohl namítnout, že
stačí nejprve naplnit
registry hodnotami
parametrů, a pak
provést instrukci,
která nalezne hodnoty
operandů v regis-
trech. I tak se to
někdy dělá…
V uvedeném výkladu si pozorný čtenář mohl všimnout, že mnoho instrukcí
potřebuje doplňující operandy a nelze je tedy provést v jednom instrukčním
cyklu. Např. při dekódování instrukce skoku procesor „ví“, že si musí z paměti
vyzvednout ještě adresu, kterou naplní čítač instrukcí. Automaticky tedy po-
kračuje fází 1 instrukčního cyklu vyvoláním obsahu další buňky v paměti a
tento obsah považuje za adresu skoku. Nakonec provede 3. fázi, tj. vlastní vy-
konání instrukce skoku.
V paměti jsou tedy uloženy nejen kódy instrukcí, ale i data (v tomto případě
operand instrukce). Ze samotného obsahu buňky paměti však není nijak patrné,
zda se jedná o kód instrukce nebo o data – to je rozhodnuto až při běhu pro-
gramu, kdy procesor interpretuje obsah buňky podle okamžitého kontextu. Vli-
vem nepřesné práce programátorů nebo jinou chybou se může stát, že procesor
vyvolá buňku obsahující data, avšak pokusí se na ni nahlížet jako na instrukci –
další chování procesoru je pak nepředvídatelné a může skončit krachem systé-
- 13 -
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

mu. Tento typ chyb je důsledkem tzv. Von Neumannovy architektury počítače,
kdy lze v téže operační paměti ukládat jak data, tak kódy instrukcí. Vzhledem k
důležitosti dodnes používané koncepce geniálního matematika, uvedeme struč-
ně její znění:
• Počítač sestává z procesoru, paměti a vstupně–výstupních zařízení.
• Struktura počítače je nezávislá na řešeném problému.
• Paměť sestává ze stejných buněk. Přístup k jejich obsahu se děje prostřed-
nictvím adres buněk.
• Buňky paměti obsahují jak instrukce, tak data rozlišitelná pouze pomocí
kontextu.
• Program sestává ze sekvence instrukcí vykonávaných postupně s výjimkou
skoků.
• Adresy, instrukce i data jsou v počítači uložena v binární podobě.
Nověji až osm bajtů –
64-bitové procesory
Intel Itanium, AMD
Opteron. A aby to
nebylo tak jednoduché, i
32-bitový procesor
Pentium 4 čte z paměti
najednou 64 bitů.
Moderní procesory v počítačích typu PC pracují s buňkami paměti, které obsa-
hují čtyři bajty. V jednom instrukčním cyklu obdrží procesor tedy z operační
paměti 32 bitů. Z toho rovněž plyne, že je výhodné, aby velikost registrů pro-
cesoru byla rovněž čtyřbajtová. Proto hovoříme o 32-bitových procesorech.
2.1.3 Komunikace procesoru s pamětí, vnitřní sběrnice, cache
V počítači se komunikace (výměna informací) relativně nezávislých kompo-
nent realizuje prostřednictvím sběrnice (angl. bus). Zjednodušeně můžeme
sběrnici považovat za množinu vodičů elektrických signálů doplněnou o ko-
munikační protokol – systém pravidel, které určují, jaký tvar signálů v jakém
čase se může na sběrnici vyskytnout a jaký je jejich význam. Schéma vnitřní
sběrnice, kterou komunikuje procesor s operační pamětí, může vypadat např.
následovně:
data
řízení
adresa

CPU

RAM
In
te
r
n
í

sb
ě
rn
i
c
e
(bu
s
)

Obr. 2.3 – části vnitřní sběrnice
Ve vyvolávací fázi instrukčního cyklu procesor nastaví na definovaných vodi-
čích sběrnice adresu požadované buňky. Každý vodič přitom přenáší právě
jeden bit. Hodnota bitu je definována úrovní elektrického napětí na vodiči. Má-
li tato část sběrnice 20 vodičů, lze na nich nastavit 2
20
možných adres, tj. pa-
měť může mít maximálně 1 048 576 buněk. Buňky navíc by nebylo možné
prostřednictvím sběrnice adresovat. Stav adresové části sběrnice tedy mění
pouze procesor (je v roli vysilače), paměť tento stav pouze čte (role přijímače).
Počet vodičů v této části sběrnice se nazývá šířka adresové části sběrnice. Na-
příklad procesor Pentium III má šířku adresové sběrnice 32 bitů, horní mez
kapacity operační paměti je tedy teoreticky 2
32
bajtů, tj. 4 GB.
- 14 -
Konstrukce a struktury počítačového systému
Z adresové části sběrnice si paměť přečte adresu, vyhledá obsah odpovídající
buňky a nastaví na datových vodičích sběrnice jednotlivé bity obsahu buňky.
Procesor v roli přijímače dat si tedy na datové části sběrnice přečte požadova-
ný obsah. Počet datových vodičů zpravidla odpovídá velikosti paměťové buň-
ky, která může být přenesena v jednom instrukčním cyklu. 32-bitový procesor
je tedy připojen ke sběrnici s šířkou datové části 32 bitů (např. procesor Penti-
um 4 má však pro urychlení tuto část sběrnice širokou 64 bitů, přesto používá
32-bitové registry, jedná se tedy o 32-bitový procesor). Při přesunových in-
strukcích procesor zapisuje do paměti data. Pak kromě nastavení adresy nasta-
vuje i datovou část sběrnice.
Vidíme, že adresová část sběrnice je jednosměrná, nastavuje ji vždy procesor,
datová část je obousměrná, nastavuje ji podle typu přenosu paměť nebo proce-
sor.
Vodiče řídicí části sběrnice obsahují bity se specifickým významem. Řídí např.
směr přenosu dat a zejména synchronizují komunikační partnery. Musíme si
uvědomit, že komunikace se odehrává velkou rychlostí a signály na sběrnici se
tudíž velmi rychle mění. Řídicí signály hrají stěžejní roli jako příznak, že bity
na adresové, resp. datové části sběrnice jsou již nastaveny a ustáleny a lze je
přečíst. Jiný příznak pak potvrdí, že informace již byla přečtena a lze ji nahra-
dit novou informací. Pokud uvedené řídicí synchronizační příznaky na sběrnici
nastavují komunikační partneři, nazývá se tento způsob komunikace asyn-
chronní. Na vnitřní sběrnici se však používá synchronní způsob, kdy řídicí bity
nenastavují komunikační partneři, ale nezávislé hodiny sběrnice. Signální pří-
znaky jsou tudíž periodické a zařízení připojená ke sběrnici musí stihnout své
povinnost vysilače, resp. přijímače v časových intervalech vymezených hodi-
nami. Frekvence hodin vnitřní sběrnice je důležitým výkonovým parametrem
počítače.
V současnosti dosluhují
vnitřní sběrnice s
frekvencí hodin 66MHz
a používají se rychlosti
až 200 MHz. Rychlost
sběrnice 800 MHz,
která je inzerována u
dražších základních
desek s Pentiem 4, je
taktována hodinami
200 MHz, avšak v
jednom cyklu hodin
mohou proběhnout až
čtyři přenosy dat..
Rychlost vnitřní sběrnice neodpovídá frekvenci vykonávaných instrukcí. Viděli
jsme, že některé instrukce vyžadují více cyklů a naopak při dnešních šířkách
sběrnice je možné kumulovat více operací do jednoho cyklu komunikace pro-
cesoru s pamětí. Navíc se uplatňuje mechanismus cache, který dovoluje, aby se
obsah paměti dostal k procesoru rychleji.
Vyrovnávací paměť (cache) procesoru je velmi rychlá paměť, s níž může pro-
cesor komunikovat mnohonásobně rychleji než se standardní operační pamětí.
Je zkonstruovaná tak, aby se v době, kdy procesor provádí nebo dekóduje in-
strukce a nekomunikuje s pamětí, plnila obsahem blízkých adres operační pa-
měti. V případě požadavku procesoru na paměť se informace přečte z cache,
pouze v případě, že tam není přítomna (např. při instrukcích skoku), použije se
přímá komunikace s operační pamětí. Cache je přítomna přímo na čipu proce-
soru a u moderních procesorů je její kapacita desítky kilobajtů (např. 64KB).
Ve skutečnosti se obvykle používá cache dvou úrovní, výše uvedená integro-
vaná cache první úrovně L1 je menší a rychlejší, cache druhé úrovně L2 je rea-
lizována externí rychlou pamětí s kapacitou až 512 KB.
2.2 Periferní zařízení
Náš model počítače sice vysvětluje, co se odehrává v jeho hlavních komponen-
tách – mění se stav procesoru a operační paměti, avšak musíme mít k dispozici
- 15 -
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

mechanismus, jak tento stav sledovat a ovlivňovat. I představa běhu programu
v podobě postupného vykonávání instrukcí uložených v operační paměti před-
pokládá, že existuje možnost efektivního naplnění paměti relevantními instruk-
cemi – programem. Nástroje umožňující zasahovat do struktury procesor –
paměť a zpřístupňovat její stav nazýváme periferní zařízení (peripheral devi-
ces). Pro popis jeho činnosti opět zvolíme velmi zjednodušený model.
Uvažujme nejprve klávesnici, pomocí které lze měnit nezávisle na procesoru
obsah operační paměti.
Pohyby kláves vytvářejí mechanickou informaci, která je pro hlavní kompo-
nenty počítače neakceptovatelná. Proto musí existovat „měnič“ informace spe-
cifické pro periferní zařízení na binární formu kompatibilní s obsahem paměti.
Toto zařízení se nazývá řadič (také adaptér, resp. controller).

CPU
RAM
Řadič
Řadič
Obr. 2.4 – model připojení periferních zařízení
Představme si, že v našem modelu řadič klávesnice převede stisknutí klávesy
na obsah bajtu tak, že pro každou klávesu je tento obsah jiný. Zároveň je řadič
schopen zapsat tento bajt do paměti na pevně stanovenou adresu. Aby bylo
možné tímto způsobem ovlivnit stav počítače, musí v něm probíhat program,
který občas vyhodnotí data z pevně stanovené adresy vyhrazené pro klávesnici.
Fragment programu, který zjistí, zda se na klávesnici něco změnilo (obvykle
speciální podprogram) nazýváme ovladač (driver). Klávesnice je vstupní zaří-
zení (input device). Produkuje informace, která vstupují zvnějšku do systému
počítače.
Příkladem výstupního periferního zařízení (output device) může být monitor.
Informuje nás o stavu počítače, aniž by do něj zasahoval. Optická informace
poskytovaná monitorem opět vyžaduje řadič (grafický adaptér), který tentokrát
pracuje obráceně: obsahy bajtů na pevně stanovených adresách paměti mění na
znaky vykreslované monitorem, nebo na barvu jednotlivých bodů na obrazovce
podle stanovených pravidel. Zatímco pro klávesnici nám stačí vyhradit jeden
nebo několik málo bajtů, jejichž obsah odpovídá mechanické činnosti na klá-
vesnici, k poskytování grafické informace potřebujeme podstatně vyšší kapaci-
tu paměti. V nejčastěji používaném modelu odpovídá barvě jednoho bodu (pi-
xelu) na obrazovce trojice bajtů tak, že mezi souřadnicemi pixelu a adresou
této trojice je jednoznačný vztah. Ovladač (grafický driver) monitoru pak musí
naplnit značně velkou část paměti obsahem, který řadič neustále graficky inter-
pretuje.
- 16 -
Konstrukce a struktury počítačového systému
Příkladem vstupně–výstupního zařízení je disková paměť. Permanentní magne-
tickou informaci na povrchu disku převádí řadič na binární informaci, kterou
lze zapsat do paměti. Probíhat však může i opačný přenos zápisu informace
z paměti na magnetické médium. Toto zařízení je však v dnešní době pro počí-
tače natolik důležité, že se mu budeme věnovat v samostatné kapitole.
2.2.1 Vstupně–výstupní sběrnice a porty
Uvedený model periferních zařízení je velmi hrubý. Komunikace řadičů
s operační pamětí by v tomto modelu byla značně problematická, nesměla by
totiž ovlivňovat přístup procesoru k paměti. Navíc musí existovat možnost ko-
munikace procesoru s řadičem tak, aby bylo možné činnost řadiče kontrolovat
a konfigurovat.
Proto obsahuje počítač ještě jeden druh paměti, která je připojena k procesoru
prostřednictvím tzv. vstupně–výstupní sběrnice (I/O bus). Sběrnice má rovněž
adresovou, datovou a řídicí část, rozdíl však tkví v realizaci paměti, která je
k ní připojena. Jednotlivé buňky paměti se nazývají I/O porty a jsou realizová-
ny přímo na řadičích periferních zařízení. Tato paměť neobsahuje samozřejmě
instrukce pro procesor, je určena pouze pro data. Data lze přenášet mezi porty a
registry procesoru prostřednictvím vstupně–výstupních instrukcí, které již byly
zmíněny. Adresový prostor této paměti nemusí být souvislý, požadovaná adre-
sa portu je součástí I/O instrukce.

Obr. 2.5 – I/O porty obsazené řadičem klávesnice v PC
2.2.2 Mechanismus přerušení
Každé periferní zařízení je tedy připojeno k počítači prostřednictvím řadiče,
který pracuje paralelně s procesorem. Data získaná z periferního zařízení si
vstupní řadič ukládá do lokální paměti (I/O portů), k nimž má procesor přístup
prostřednictvím I/O sběrnice a I/O instrukcí. Naopak výstupní řadič předává na
výstupní zařízení informaci vytvořenou z dat, kterou zapsal procesor do jeho
I/O portů.
Vzhledem k tomu, že řadiče a periferní zařízení pracují relativně nezávisle na
procesoru, je třeba vyřešit problém synchronizace uvedených komponent. Ob-
vykle je periferní zařízení daleko pomalejší než procesor. V případě vstupu
z klávesnice by např. program musel neustále sledovat porty klávesnice, zda již
neobsahují potřebnou informaci (i takové řešení – tzv. čekací smyčka – je ně-
kdy potřebné). Daleko efektivnější je však nechat procesor vykonávat program
a informovat ho až v okamžiku, kdy má data k dispozici. K tomu slouží tzv.
mechanismus přerušení:
- 17 -
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

1. Řadič informuje procesor požadavkem na přerušení (interrupt request –
IRQ). Procesor identifikuje řadič, který žádá o přerušení, prostřednic-
tvím speciálního čísla, unikátního pro každý řadič v počítači.
2. Procesor provede instrukci skoku do speciálního obslužného podpro-
gramu (driveru), jehož adresa je uložena v paměti v tzv. tabulce přeru-
šení (každému číslu přerušení odpovídá adresa driveru).
3. Procesor vykoná obslužný podprogram zařízení (např. přečte data z I/O
portu, vyhodnotí, zda při operaci se zařízením nedošlo k chybě, výsle-
dek zapíše do operační paměti).
4. Procesor pokračuje v původně prováděném programu.
Procesor i I/O sběrnice jsou samozřejmě zkonstruovány tak, aby měl celý po-
stup vydatnou technickou podporu.
Jak tabulka přerušení, tak obslužné drivery zařízení, jsou součástí operačního
systému. Uživatelské programy tedy při používání periferních zařízení využí-
vají operační systém.

Obr. 2.6 – příklad přiřazení čísel přerušení řadičům v PC
Samozřejmě je možné speciálními instrukcemi přerušení činnosti procesoru od
libovolného řadiče v případě potřeby zablokovat. Například může být nevhod-
né přerušit provádění obslužného driveru jiného nebo dokonce téhož zařízení.
2.2.3 Mechanismus přímého přístupu do paměti
Přímý přístup do paměti (DMA – Direct Memory Access) umožňuje řadiči
zapisovat/číst přímo do/z operační paměti větší množství dat bez účasti proce-
soru podle modelu na obr. 2.4. Tato operace však často není příliš výhodná,
neboť v době transportu dat nemá procesor k paměti potřebný přístup a navíc
vyžaduje spoluúčast speciálního řadiče DMA. Schematicky pracuje tento me-
chanismus např. u floppy disku následovně:
1. Driver zařízení nastaví řadič floppy disku (prostřednictvím jeho portů)
na přenos n bajtů dat ze specifikovaného místa disku do paměti od spe-
cifikované adresy A.
2. Řadič disku nastaví řadič DMA do potřebného režimu přenosu n bajtů
od adresy A.
- 18 -
Konstrukce a struktury počítačového systému
3. Řadič disku zasílá jednotlivé bajty dat z disku řadiči DMA.
4. Řadič DMA ukládá data do operační paměti, jejíž adresu od A postupně
zvyšuje.
5. Po přenesení n bajtů vyvolá řadič DMA přerušení, aby informoval pro-
cesor o skončení operace.
Uvedený mechanismus se vzhledem ke komplikovanosti a zranitelnosti použí-
vá pouze u některých zařízení. Řadič, který hodlá přenos DMA používat, musí
mít přiřazeno rovněž unikátní číslo DMA, které ho při přenosu identifikuje.

Obr. 2.7 – příklad přiřazení čísel DMA řadičům v PC
Vidíme, že v běžném PC používá DMA mechanismus relativně málo zařízení,
dlouho nebyl výhodný ani v případě přenosu dat z běžných pevných disků.
V současné době se však u pevných disků již opět používá přímý přístup do
paměti pomocí tzv. rozhraní Ultra DMA (někdy také Ultra ATA – viz dále).
2.2.4 Programová obsluha zařízení
V moderních operačních systémech je přímý přístup z uživa