SKRIPTA - operačné systémy

telských programů
k periferním zařízením zakázán. Pokud potřebuje program provést vstup nebo
výstup dat na zařízení, provede skok do speciálního podprogramu – volá službu
operačního systému. Operační systém vyhodnotí požadavek, nastaví řadič po-
žadovaného zařízení pro příslušnou operaci a vrátí řízení zpět uživatelskému
programu.
Při přerušení signalizujícím, že požadovaná operace skončila, je vyvolán ob-
služný driver, který zajistí přesun například dat z portů řadiče zařízení na poža-
dované místo v paměti, kde jsou k dispozici uživatelskému programu.
Vidíme, že obsluha zařízení může mít dvě fáze – přípravnou, která operaci za-
hájí, a obsluhu přerušení. Obě lze považovat za součástí driveru – ovladače
zařízení.
Obsluha zařízení může být dvojího typu:
• Synchronní – při požadavku programu na operaci s periferním zaříze-
ním je řízení předáno operačnímu systému, který vrátí řízení zpět až po
dokončení operace.
• Asynchronní – při požadavku programu na operaci s periferním zaříze-
ním je řízení předáno operačnímu systému, který vrátí řízení zpět ihned
- 19 -
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

po přípravné fázi. Dokončení operace proběhne již nezávisle na pro-
gramu, který požadavek vyvolal.
2.3 Paměťové struktury
V počítači používáme řadu různých koncepčních typů pamětí. Setkali jsme se
již s hlavní operační pamětí, s registry procesoru, dvěma úrovněmi cache, I/O
porty. Uvedené paměti jsou závislé na elektrické energii (volatile memory), po
vypnutí počítače se jejich obsah ztrácí. Jsou rychlé, spolehlivé (neobsahují zra-
nitelné mechanické součásti) – a drahé. Proto jsou pro permanentí ukládání
velkého množství dat dosud používány periferní paměti, zejména v podobě
magnetických disků.
Připomínáme, že disk je tvořen jednou nebo více pevnými kovovými nebo
skleněnými plotnami pokrytými tenkou vrstvou magnetického záznamového
materiálu. Informace na disku je organizována do stop a sektorů, při více povr-
ších také cylindrů. Informace mezi operační pamětí a diskem je vždy přenášena
prostřednictvím řadiče po celých sektorech, které obvykle obsahují 512 bajtů.

Obr. 2.8 – Schéma diskové paměti
Vidíme, že všechny hlavičky disku jsou navzájem pevně spojeny, takže se
všechny nacházejí nad stejnou stopou různých povrchů (cylindr). Pro rychlý
přenos dat z/do požadovaných sektorů je pak velmi důležitý algoritmus, který
určí, v jakém pořadí se budou požadované sektory vyhledávat tak, aby byl pře-
sun hlaviček minimální. Součástí moderních disků je rovněž disková cache –
elektronická vyrovnávací paměť, která je plněna obsahem sektorů, které budou
pravděpodobně požadovány v blízké budoucnosti.
Typy pamětí lze klasifikovat např. podle rychlosti přenosu dat k procesoru,
ceny, stálosti uložených dat. V tomto smyslu pak následující obrázek znázorňu-
je hierarchii paměťových struktur v počítači.
- 20 -
Konstrukce a struktury počítačového systému
Magnetická páska
Optický disk
Magnetický disk
Elektr. (flash) disk
Operační paměť
Cache L2
Cache L1
Registry
Kapaci
t
a
Rychlost, ce
na
Obr. 2.9 – klasifikace typů pamětí v počítači
2.4 Mechanismy ochrany
S výkonnějšími počítači jsou provozovány stále složitější operační systémy,
které umožňují sdílet zdroje počítače více programům i uživatelům. Přitom je
třeba zajistit ochranu běžících procesů před jinými tak, aby nedošlo k narušení
jejich běhu nebo ke ztrátě citlivých dat, s nimiž pracují. Tato ochrana má tech-
nickou podporu zejména v konstrukci moderních procesorů. Ta umožňuje čin-
nost procesoru minimálně ve dvou režimech: uživatelském a systémovém (re-
žimu jádra). Procesor lze přepnout ze systémového režimu do uživatelského
speciálními instrukcemi, avšak přerušení vyvolané řadičem zařízení, chybou
nebo časovačem automaticky přepíná procesor zpět do systémového režimu.
Dále existuje množina tzv. privilegovaných instrukcí, které lze provádět pouze
v systémovém režimu procesoru. Všechny I/O instrukce patří automaticky
k privilegovaným – pak není možné z uživatelských programů měnit konfigu-
raci počítače a pracovat s periferními zařízeními bez dohledu operačního sys-
tému. Zároveň nelze žádným způsobem z programu v uživatelském režimu
získat privilegia režimu jádra.
Dále jsou v procesoru přítomny bezpečnostní registry vymezující počáteční
adresu a velikost paměti, kterou může program v uživatelském režimu použí-
vat. Pokus o překročení tohoto rozsahu skončí chybovým přerušením, které
vrátí řízení operačnímu systému. Instrukce pro nastavení registrů vymezujících
rozsah použitelné paměti jsou rovněž privilegované a nelze je v uživatelském
režimu použít. V režimu jádra lze používat veškerou dostupnou paměť a privi-
legované instrukce.
Vidíme, že vlastnosti procesoru jsou dnes velmi sofistikovaně propojeny s po-
žadovanými vlastnostmi a službami operačních systémů. Firmy zabývající se
vývojem technických prostředků tam musí úzce spolupracovat s renomovaný-
mi softwarovými firmami. Tato symbióza je velmi důležitá a urychluje celkový
vývoj.
- 21 -
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

Zároveň získáváme představu o filozofii moderního operačního systému. Je
zodpovědný za spuštění uživatelského programu v uživatelském režimu proce-
soru, přiděluje mu potřebnou paměť, kde nemůže dojít ke kolizi s programy a
daty jiných uživatelů a citlivé operace provádí sám na požadavek ze strany
programů – může tak vyhodnotit oprávněnost požadavku a případně ho zamít-
nout.
2.5 Architektura osobních počítačů
Osobní počítače PC byly uvedeny na trh v roce 1981 firmou IBM a zhruba po
pěti letech se staly standardem a vytlačily většinu ostatních modelů obdobné
třídy. Jejich úspěch byl dán zejména následujícími faktory:
• standardizovaná otevřená architektura
• dobrá dokumentace a možnosti technického rozšiřování
• relativně nízká cena, jednoduchost a robustnost
Počítač byl založen na procesoru Intel 8088 a použit byl jednoduchý operační
systém firmy Microsoft MS–DOS.
Vzhledem k otevřenosti architektury a dostupné dokumentaci začaly jiné firmy
produkovat funkční klony, které dostaly odlišné názvy a umožnily bouřlivý
rozvoj původní architektury až do dnešní podoby.
Moderní PC je velmi vzdálené od původního modelu jak výkonem, tak archi-
tekturou, zde shrneme pouze některé aspekty doplňující výše uvedený obecný
text.
Základem PC je základní deska (main board), které obsahuje zejména patici
pro procesor, konektory pro moduly operační paměti a řadiče zařízení a mnoho
vestavěných obvodů, které jsou realizovány tzv. čipovou sadou (chip set). Ta
pak určuje základní vlastnosti celé sestavy. Formát základní desky je standar-
dizován (dnes standard ATX) tak, aby bylo možno nezávisle vyrábět různá šasi
ATX s napájecím zdrojem a prostorem pro vnější konektory počítače a mecha-
niky disků. Čipová sada prostřednictvím několika integrovaných obvodů reali-
zuje zejména komunikaci mezi hlavními komponentami počítač, tj. prakticky
všechny sběrnice a podpůrné obvody.
2.5.1 Vnitřní a vnější sběrnice
Tradičně byly v počítačích typu PC I/O sběrnice (kterých je vždy více) odvo-
zeny z vnitřní sběrnice počítače (někdy též FSB – Front Side Bus) pomocí spe-
ciálních řadičů sběrnice podle níže uvedeného schématu.
- 22 -
Konstrukce a struktury počítačového systému
RAM
Řadič
I/O
sběrnice
L2
Cache
CPU
Vnitřní
sběrnice
Řadič
Zařízení
I/O sběrnice
Řadič
Zařízení
Obr. 2. 10 – schéma architektury sbedniv v PC
V dnešní době jsou často I/O sběrnice prakticky rovnocenné s vnitřní (systé-
movou) sběrnicí, každá je pak realizována prostřednictvím speciálního řadiče
(součástí čipové sady), který kontroluje dodržování pravidel signálů na sběrni-
ci.
Poměrně dlouho byly hodiny systémové sběrnice stejně rychlé jako procesor.
Počínaje procesorem Intel 80486DX2 však pracuje procesor na mnohem vyš-
ších frekvencích než sběrnice. Zatímco jsou dnešní systémové sběrnice takto-
vány na frekvenci až 200 MHz, procesory dnes dosahují rychlostí více než
3 GHz.
Až do roku 1987 byla rovněž činnost vnitřní a I/O sběrnice taktována stejnými
hodinami. Po nástupu většího počtu I/O sběrnic jsou již jejich frekvence, a tedy
i přenosová rychlost, odlišné. U moderních PC se setkáváme obvykle
s následujícími I/O sběrnicemi:
• ISA (Industry Standard Architecture) – nejstarší, šířka datové části je
16 bitů, maximální přenosová rychlost 8 MB/s. Vnitřně se používá na-
příklad pro připojení klávesnice, disketové mechaniky a vytvoření stan-
dardního sériového a paralelního rozhraní počítače. Vnější tvář ISA
tvoří rozšiřující konektory na základní desce pro připojení řadičů peri-
ferních zařízení – u novějších modelů již vesměs absentují. Vzhledem
k nízké rychlosti a žádné inteligenci je nahrazována například sběrnicí
USB a moderní čipové sady ji již neobsahují.
• PCI (Peripheral Component Interconnect) – představuje standard
zejména pro připojení disků, síťových adaptérů a dalších zařízení vyža-
dující velký objem přenášených dat. Šířka datové části je standardně 32
bitů, frekvence hodin 33 MHz, maximální (teoretická) přenosová rych-
lost je tedy 132 MB/s.
Sběrnice je charakteristická tím, že adresová a datová část je tzv. multi-
plexovaná, tj. tvořena stejnými vodiči a význam signálů se liší podle
kontextu. V jedné fázi hodin je na těchto vodičích adresa, ve druhé data.
Dalším charakteristickým znakem je tzv. burst režim, kdy je odeslána
pouze počáteční adresa a následuje blok dat, přičemž přijímací zařízení
si data automaticky ukládá do posloupnosti adres počínaje startovací
adresou.
- 23 -
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

Dvě zařízení připojená ke sběrnici si mohou vyměňovat data i bez účas-
ti procesoru, univerzálnost sběrnice přispěla k tomu, že je používána i
v jiných typech počítačů než PC.
Inteligence sběrnice umožňuje využívat technologii Plug and Play
(PnP) – připojené adaptéry se automaticky přizpůsobují prostředí po
připojení ke sběrnici. V současných PC je sběrnice použita částečně pro
interní vytvoření dvou kanálů tzv. rozhraní EIDE pro připojení až čtyř
pevných disků, vnější část je tvořena konektory PCI pro řadiče dalších
periferních zařízení. Sběrnice PCI používá obdobu přímého přístupu do
paměti nazývanou bus mastering. Tento mechanismus se u novějších
disků vydatně používá pod označením Ultra DMA.
Sběrnice PCI prodělává evoluční vývoj – dnes používaná specifikace
PCI 2.2 umožňuje datovou (a tedy i adresovou) část sběrnice širokou 64
bitů a používá se i vyšší frekvence (66 Mhz). Přenosová rychlost sběr-
nice PCI–64/66 je pak teoreticky až 528 MB/s.
Nový návrh standardu představuje sběrnice PCI-X, která umožňuje na-
příklad přenosovou rychlost až 1 GB/s.
Sběrnice typu PCI–Express je další nový standard dnes osazovaný
v dražších modelech PC pod označením PCIe. Má nahradit sběrnici PCI
a AGP a přinést další zvýšení přenosové rychlosti a sjednocení I/O
sběrnic v PC.
• AGP (Accelerated Graphics Port) – používána výhradně pro připojení
grafických adaptérů (řadičů displeje). Jejím úkolem je uvolnit sběrnici
PCI od neustálého přenášení velkého množství grafických dat. Poprvé
byla uvedena v roce 1997. Vychází ze standardu sběrnice PCI, postupně
však byla zrychlena pomocí vyšší taktovací frekvence (často se setkáme
s označením AGP 4x, resp. AGP 8x, což označuje násobek přenosové
rychlosti oproti původnímu standardu). V současné době je přenosová
rychlost sběrnice AGP až 2 GB/s.
• USB (Universal Serial Bus) – novější standard pro připojování exter-
ních zařízení. Současná verze 2.0 má přenosovou rychlost až 40 MB/s,
což umožňuje připojit nejen klávesnici, myš, ale i zařízení s většími ná-
roky na přenosovou kapacitu jako je např. externí elektronický disk
(flash disk).
Existuje samozřejmě celá řada dalších, méně používaných typů sběrnic (např.
SCSI, HP-IB apod.), které jsou osazovány do strojů speciálního určení.
Uvedené sběrnice jsou vesměs realizovány pomocí čipové sady, která kromě
celkové architektury PC zahrnuje často rovněž integrované grafické, zvukové a
síťové adaptéry, tj. často se vyskytující řadiče v počítačové sestavě. Ve vývoji
a produkci čipových sad panuje vysoká konkurence, proto se na trhu vyskytuje
velké množství typů s různým stupněm integrace a relativně vzhledem k jejich
složitosti velmi nízkou cenou. Hlavní producenti čipových sad jsou dnes napří-
klad společnosti Intel, SiS, ServerWorks, VIA, ALi, nVidia aj.
- 24 -
Konstrukce a struktury počítačového systému
2.5.2 Procesory
Procesory PC jsou tradičně spjaty zejména s firmou Intel, která zahájila svůj
vývoj v roce 1971 čtyřbitovým procesorem 4004. Procesor Intel 8088 se stal
základem prvních PC a od té doby se vystřídalo více generací těchto procesorů.
Intel není v současnosti jediným výrobcem procesorů pro PC (největším kon-
kurentem je AMD), je však zdaleka největším a obvykle svými inovacemi udá-
vá budoucí trend.
PC Procesory Rok Počet tranzistorů
1. generace 8088 1978-81 29 000
2. generace 80286 1984 134 000
3. generace 80386DX, 80386SX 1987-88 275 000
4. generace 80486SX, 80486DX
80486DX2, 80486DX4
1990-92 1 200 000
5. generace Pentium
Cyrix 6X86
AMD K5
IDT WinChip C6
1993-95
1996
1996
1997
3 100 000
2 500 000
2 500 000
3 500 000
Pokročilá
5. generace
Pentium MMX
IBM/Cyrix 6x86MX
IDT WinChip2 3D
1997
1997
1998
4 500 000
6 000 000
6 000 000
6. generace Pentium Pro
AMD K6
Pentium II
AMD K6-2
1995
1997
1997
1998
5 500 000
8 800 000
7 500 000
9 300 000
Pokročilá
6. generace
Mobile Pentium II
Mobile Celeron
Pentium III
AMD K6-3
Pentium III CuMine
1999 27 400 000
18 900 000
9 300 000
8 000 000
28 000 000
7. generace AMD original Athlon
AMD Athlon Thunderbird
Pentium 4
1999
2000
2001
22 000 000
37 000 000
42 000 000
8. generace Intel Itanium
AMD Opteron
64-bitové
procesory

Obr. 2.11 – přehled generací procesorů pro PC a jejich integrace
Procesory v jednotlivých generacích musí udržovat zpětnou kompatibilitu, tj.
kromě vyššího výkony (rychlosti) a nových instrukcí musí z pochopitelných
důvodů podporovat instrukce předcházející generace, jinak by na nich nebylo
možné provozovat již vytvořené programy.
Kromě evolučních změn týkajících zvyšování rychlosti prošel vývoj procesorů
pro PC několika klíčovými změnami: ve třetí generaci nastoupily 32-bitové
procesory s šířkou datové části systémové sběrnice 32-bitů a 32-bitovými re-
gistry, rovněž adresová část sběrnice byla rozšířena na 32 bitů, což umožnilo
adresovat paměť až 4 GB. U procesorů páté generace byla rozšířena datová
část sběrnice dokonce na 64 bitů. Od čtvrté generace byla rovněž opuštěna
koncepce stejných hodin procesoru a systémové sběrnice, a tak mohla být rych-
- 25 -
Informatika • Modul 01 • Počítačové a operační systémy

lost procesorů rychle zvyšována nezávisle na zvyšování rychlosti sběrnice
a operační paměti.
Původní modely PC pracovaly s procesorem, který používal aritmetické in-
strukce pouze pro práci s celými čísly. Operace s reálnými čísly (v pohyblivou
desetinnou čárkou) musely být vykonány programem pomocí posloupností
jiných instrukcí. Sestavu PC bylo možné doplnit tzv. matematickým koproceso-
rem, který prováděl aritmetické instrukce nad reálnými čísly uloženými
s různou přesností (samozřejmě rovněž kódovanými v binární celočíselné sou-
stavě). Od čtvrté generace byl koprocesor vestavěn do základního procesoru
a jako takový zanikl.
Zhruba lze říci, že teplo
vyzářené procesorem je
úměrné frekvenci a
počtu tranzistorů. Při
dnešních hodnotách by
čip nevydržel teplo,
které produkuje, musí
proto nastoupit účinné
chlazení.
V páté generaci bylo rovněž změněno napájení 5V na příznivější hodnotu
z hlediska chlazení 3.3V (vnitřně moderní procesory používají napájení dokon-
ce nižší než 1.5V). Začala být podporována systémová sběrnice s frekvencí
66 MHz.
Ve vylepšené páté generaci se objevilo 57 nových instrukcí a osm 64-bitových
registrů určených zejména pro podporu grafických operací (MMX). Procesory
se nicméně dále považují za 32-bitové.
Zrychlování procesorů se dosahuje nejen zvyšováním frekvence hodin, ale také
paralelním zpracováním instrukcí. Celý proces instrukčního cyklu je rozdělen
na fáze tak, že procesor vykonává jednu fázi jedné instrukce, ale zároveň také
jinou fázi již další instrukce (pipelined technology). U Pentia 4 je definováno
až 20 stavů zpracování instrukce tak, aby je bylo možno zpracovávat odděleně.
Procesor tak vlastně zpracovává několik instrukcí paralelně.
V pokročilé šesté generaci dochází k další podstatné změně: do procesoru byly
přidány 128-bitové registry a 50 nových instrukcí pro práci s nimi (technologie
SSE) – vylepšení bylo určeno pro podporu operací nad reálnými čísly, což se
projevilo opět zejména v urychlení programů s pokročilou grafikou. Stejně tak
přibylo osm nových instrukcí pro lepší ovládání paměti cache druhé úrovně.
Vše bylo podřízeno zejména možnosti přehrávání a zpracování videa.
Vylepšování procesorů
neznamená, že jsou
jejich nové vlastnosti
také využity. Novým
instrukcím a registrům
se přizpůsobují pro-
gramové produkty a
operační systém jen
velmi pomalu.
Příliš malé struktury
však v blízké budouc-
nosti přinesou problémy
kvantově–fyzikálního
rázu a bude zřejmě
nutné přejít na zcela
jiné fyzikální principy.
V sedmé generaci se šířka sběrnice procesoru zvýšila na 128 bitů. Pro podporu
SSE technologie bylo přidáno dalších 144 instrukcí (SSE2). Objevila se in-
strukční podpora programových nástrojů pro Internet.
V současnosti začíná nástup PC s plně 64-bitovými procesory. Jejich využití
však vyžaduje vytvoření nových programových produktů a překonání cenové
bariéry masovou výrobou.
Z tabulky na obr. 3.11 vidíme, že se vzrůstající složitostí procesorů roste rov-
něž počet tranzistorů na čipu. Rozměry čipů však kvůli rychlosti a ceně nelze
zvětšovat, a tak bylo třeba zvyšovat hustotu integrace. Jejím ukazatelem je tzv.
šířka litografické čáry, pomocí níž jsou na křemíkovém čipu vytvářeny polo-
vodičové struktury. Zatímco procesory původních PC byly vytvářeny pomocí
šířky 1 μm, v procesorech Pentium 4 již musí být používána šířka čáry
0,13 μm, nové modely Pentia 4 (s označením Prescott) jsou vytvářeny již do-
konce technologií 90 nm.
Zatím však již dlouhou dobu platí tzv. Mooreův zákon, který empiricky konsta-
tuje, že každých 18 měsíců se zdvojnásobuje počet tranzistorů na čipu a tím
- 26 -
Konstrukce a struktury počítačového systému
i jeho výkon. Touto rychlostí by bylo dosaženo struktur na úrovni atomů někdy
kolem roku 2020.
2.5.3 Operační paměť
Není to mnoho let, kdy
dokonce Bill Gates
prohlásil, že s jedním
megabajtem paměti v
PC máme k dispozici
kapacitu, která patrně
nikdy nebude plně
využita.
Rychlost paměti je
indikována tzv. vybavo-
vací dobou mezi dodá-
ním adresy a poskytnu-
tím dat.
Původní PC byla osazována pamětí s kapacitou desítek až stovek kilobajtů.
Postupně se dosáhlo kapacity 1MB, což bylo maximum adresovatelné 20-
bitovou adresovou částí sběrnice původních procesorů. V současnosti jsou běž-
ná PC často osazena operační pamětí 1GB i více.
Principiálně lze rozdělit fyzickou elektronickou paměť na statickou (SRAM) a
dynamickou (DRAM). Ve statické paměti je hodnota každého bitu stabilní –
uchována speciálním dvojstavovým elektronickým obvodem. Dy