Desktopowe Systemy Operacyjne Szkoła Główna Służby Pożarniczej Zakład Informatyki i Łączności March 7, 2016
1 Model von Neumanna 2 Komputer IBM PC 3 Oprogramowanie Systemowe 4 Podsumowanie
Programowanie wczesnych komputerów Programowanie wczesnych komputerów (np. ENIAC) polegało na fizycznym przełączaniu przewodów. Pamięć była wykorzystywana tylko do przechowywania danych przetwarzanych przez program.
Komputer według Johna Von Neumanna Obecne komputery realizują model zaproponowany przez Johna Von Neumanna w 1946 r.: - Procesor (Central Processing Unit CPU) wykonuje program zbudowany ze skończonej, zdefiniowanej dla danej architektury listy rozkazów. - Program oraz dane są przechowywane w pamięci. John von Neumann (1903-1957) inżynier chemik, fizyk, matematyk i informatyk
Elementy systemu mikroprocesorowego Pamięć Mikroprocesor Układy Wejścia-Wyjścia We/Wy magistrala sterująca magistrala adresowa magistrala danych
Magistrale Wszystkie moduły są połączone za pośrednictwem magistral, które służą do przesyłania: - danych, - adresów, - sygnałów sterujących Szyna główna magistrala sterująca magistrala adresowa magistrala danych
Schemat blokowy komputera Układy We/wy Mikroprocesor Pamięć Układ sterowania Program ALU Rejestry Dane Dane Sterowanie
Schemat blokowy mikroprocesora Program Dane IR Jednostka sterująca Jednostka wykonawcza R1 Rejestry robocze R2 R3 R4 Dekoder ALU CU Układ sterowania R5
Arithmetic Logic Unit ALU
Cykl rozkazowy mikroprocesora Pobierz rozkaz Zwiększ licznik rozkazów Faza pobrania Zdekoduj rozkaz Wykonaj rozkaz Faza wykonania
ALU Rejestry procesora CU Control Unit IR Instruction Register MAR Memory Address Register MBR Memory Buffer Register PC Program Counter Rejestry robocze służą do przechowywania argumentów i wyników Rejestry wewnętrzne służą do przechowywania danych, rozkazów oraz informacji o stanach Magistrala adresowa MAR Dane R1 R2 R3 R4 CU PC Dekoder +1 ALU R5 IR MBR Magistrala danych
Pobieranie rozkazów 1. Do licznika PC wpisywany jest adres 74. R1 R2 R3 R4 CU Control Unit IR Instruction Register MAR Memory Address Register MBR Memory Buffer Register PC Program Counter 2. Adres 74 trafia z PC do MAR; PC jest zwiększany o 1. ALU R5 Magistrala adresowa 3. Adres 74 trafia z MAR do pamięci. RAM 4. Zawartość adresu 74: "mov(624,r1)" trafia na magistralę danych. 5. Dane z magistrali danych trafiają do MBR. 6. CU decyduje w jaki sposób przetworzyć dane w MBR. W przypadku rozkazu następuje przesłanie zawartości MBR do IR. CU Dekoder IR MAR MBR PC +1 Adres... 74 75 76 77... 624 625... Zawartość... mov(624,r1) mov(625,r2) add(r1,r2) store(r4)... 2 3... 7. Rozkaz jest dekodowany i na jego podstawie CU generuje sekwencje sygnałów sterujących. Magistrala danych Magistrala sterująca
Rejestr flagowy Wyniki poszczególnych operacji wykonywane w bloku ALU ustawiają Rejestr Flagowy. R1 R2 R3 R4 Flagi mogą zgłaszać dodatkowe informacje związane z wynikiem, np. - nastąpiło przeniesienie; - wynikiem jest 0; - przekroczono zakres (overflow); - wynik jest ujemny; itp. ALU R5 Rejestr flagowy CU sprawdza zawartość rejestru flagowego i dostosowuje sterowanie do zaistniałej sytuacji. CU
Format rozkazów Rozkazy i argumenty zapisywane są w komputerze w postaci binarnej, np: mov 624 R1 101100110010011100000001 kod maszynowy opcode arg1 arg2 Jeden bajt przeznaczony na opcode pozwala na uzyskanie 256 rozkazów
Programowanie Język wysokiego poziomu Kod Asemblera Kod maszynowy (C, Java, Pascal, Perl,...) #include <stdio.h> main() { int a, b, c; a=1; b=2; c=a+b; if(c<10) { printf("c mniejsze od 10\n"); } } Kompilator.file "helo.c".section.rodata.lc0:.string "c mniejsze od 10\n".text.globl main.type main, @function main: pushl %ebp movl %esp, %ebp subl $24, %esp andl $-16, %esp movl $0, %eax subl %eax, %esp movl $1, -4(%ebp) movl $2, -8(%ebp) movl -8(%ebp), %eax addl -4(%ebp), %eax movl %eax, -12(%ebp) cmpl $9, -12(%ebp) jg.l2 subl $12, %esp pushl $.LC0 call printf addl $16, %esp.l2: leave ret.size main,.-main 001010101010101 101101110101011 101010101001010 110101010101001 000101010100101 001010101001001 101010101001011 101010100101010 101010100010000 010100101000011 000000101010100 010101010101111 000111101010101 101010111110101 111101110001111 101010111101011 Asembler
Pierwsze komputery osobiste 5 czerwca 1977 roku firma Apple Computer wypuściła na rynek komputer Apple ][. Pierwszy komputer osobisty, który zyskał ogromną popularność. Apple ][ był pierwszym komputerem, w którym zadbano o wygląd zewnętrzny. Posiadał kolorową kartę graficzną oraz generator dzwięku. Bardzo dobra dokumentacja, powodowała, że był on wykorzystywany przez szerokie grono odbiorców.
Pierwsze komputery osobiste Firma IBM pozazdrościła sukcesu Apple Computer i zleciła opracowanie własnego modelu komputera osobistego. 12 sierpnia 1981 wypuściła na rynek komputer o nazwie IBM PC, przeznaczony do użytku domowego. W komputerze IBM PC zastosowano otwartą architekturę, co oznacza, iż komputer mógł być składany z części różnych producentów. Za synchronizację tych urządzeń odpowiedzialny był BIOS. IBM udostępnił pełną dokumentację BIOSu dzięki temu mógł być on klonowany przez inne firmy. Obecne komputery PC są kontynuacją architektury IBM PC
Płyta główna Jednym z podstawowych komponentów komputerów klasy PC jest płyta główna. Stanowi ona platformę na której umieszcza się wszystkie elementy zestawu komputerowego. Dodatkowo na płycie głównej montowane są układy scalone (chipset), których zadaniem jest integracja oraz zapewnienie współpracy tych elementów. Podstawowymi komponentami chipsetu są: - kontroler CPU; - kontroler pamięci RAM; - kontroler pamięci cache; - kontrolery magistral PCI, AGP, itp. Dodatkowo chipset może zawierać: - kontrolery IDE, SCSI, FDD; - kontroler zegara rzeczywistego; - kontroler układów wejścia/wyjścia;
Płyta główna źródło: http://www.build-a-computer-guide.com/the-motherboard.htm
Architektura płyty głównej Frontside Bus Memory Bus NORTH BRIDGE AGP/PCI-E Bus gfx ATA/SATA Bus SOUTH BRIDGE PCI Bus
Magistrala PCI PCI jest magistralą służącą do podłączania urządzeń do płyty głównej w postaci: a) układów scalonych montowanych na płycie b) kart rozszerzeń (karta graficzna, sieciowa, dźwiękowa, itp.) Memory Bus ATA/SATA Bus Frontside Bus NORTH BRIDGE SOUTH BRIDGE Specyfikacja PCI 1.0 (Intel, 1993 r.): Szerokość: 32 bit typ: równoległa Prędkość: 133MB/s PCI Bus gfx
NORTH BRIDGE SOUTH BRIDGE NORTH BRIDGE SOUTH BRIDGE AGP Memory Bus Frontside Bus W związku ze zorientowaniem komputerów na grafikę 3D pojawił się problem przesyłania rosnącej liczby danych graficznych obciążoną magistralą PCI. W 1997 Intel wprowadził magistralę AGP łączącą kartę graficzną z pamięcią i procesorem poprzez North Bridge. Frontside Bus Memory Bus AGP gfx ATA/SATA Bus ATA/SATA Bus gfx Specyfikacja: PCI AGPx1... AGPx8 32 bit 32 bit 66 MHz 533 MHz 266 MB/s 2133 MB/s PCI
Budowa karty graficznej Procesor graficzny (GPU / Graphics Processing Unit) z dołączonym radiatorem/wentylatorem gfx Wyjścia DVI D-SUB S-VIDEO Pamięć RAM złącze PCI-E AGP PCI
Budowa karty graficznej GPU zintegrowany z płytą główną i komunikujący się z pamięcią systemową RAM jest wystarczającym rozwiązaniem dla komputerów nie wykonujących lub wykonujących stostunkowo niewiele operacji w GPU. Wiele programów związanych z grafiką 2D wykorzystuje CPU do wykonywania obliczeń. Wykorzystanie GPU ogranicza się wówczas do stosunkowo prostych operacji. W przypadku grafiki 3D programiści zazwyczaj wykonują obliczenia w GPU używając specjalnych metod dostępu do sprzętu (OpenGL, Direct3D, itp.). GPU potrzebuje wówczas szybkiego dostępu do pamięci zawierającej tekstury i inne dane obiektów. Rynek kart graficznych napędzany jest głównie przez rynek gier komputerowych. Ok. 90% architektury GPU zorientowane jest na przetwarzanie 3D. System RAM System RAM CPU CPU GPU RAM gfx
Do czego wymagana jest moc obliczeniowa GPU? Rendering to operacja przetworzenia wirtualnej sceny (3D) na postać pikseli, które można wyświetlać na ekranie monitora (2D). Scena definiowana jest w specjalnym języku przez: - geometrię obiektów 3D (współrzędne), - tekstury (pokrycie obiektów), - oświetlenie, - ustawienia punktu widokowego (kamera). Scena 3D obiekt światło Rendering wymaga wielu obliczeń związanych z przekształceniami geometrycznymi, nakładaniem tekstur, oświetleniem itp. kamera Wszystkie operacje związane z renderingiem są zazwyczaj wykonywane przez GPU.
Interfejsy obsługi dysków twardych Obecnie w komputerach klasy PC wykorzystywane są trzy interfejsy obsługi dysków: - PATA; - SATA; - SCSI; SOUTH BRIDGE KONTROLER DYSKU
SATA SATA - jest standardowym interfejsem obsługi urządzeń pamięci takich jak dyski twarde lub DVD. SATA jest szeregowym interfejsem umożliwiającym podłączenie urządzeń pamięci przez siedmiopinowy kabel. Maksymalna długość kabla to 1 m. Prędkości przesyłu danych: SATA SATA-2 SATA-3 1,5 Gb/s 3,0 Gb/s 6,0 Gb/s
SCSI SCSI - jest standardowym interfejsem umożliwiającym łączenie urządzeń zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz komputera. SCSI jest równoległym interfejsem umożliwiającym podłączenie do komputera takich urządzeń jak dyski twarde, napędy CD, skanery, itp. Za pomocą SCSI możliwe jest również łącznie ze sobą komputerów. Maksymalna długość 68 pinowego kabla to 12m. Obecna prędkość przesyłu danych to 320 MB/s lub 640 MB/s.
USB USB (Universal Serial Bus) - jest standardowym interfejsem szeregowym umożliwiającym łączenie ze sobą różnych urządzeń. Standard USB został opracowany przez firmy Microsoft, Intel, Compaq, IBM, DEC celem zastąpienia przestarzałych portów szeregowych i równoległych komputera. USB jest portem uniwersalnym i umożliwia podłączenie do komputra różnych urządzeń, np. apartu, drukarki, nośnika pamięci, itp. Maksymalna ilość urządzeń podłączonych do jednego kontrolera wynosi 127. USB 1.0 1996 Low Speed (1.5 Mbit/s), Full Speed (12 Mbit/s) USB 2.0 2000 High Speed (480 Mbit/s) USB 3.0 2008 SuperSpeed (5 Gbit/s) USB 3.1 2013 SuperSpeed+ (10 Gbit/s) USB Battery-Charging 1.0 2007 5 V, 1.5 A USB Power-Delivery 1 2012 20 V, 5 A USB Type-C 1.0 2014 5 V, 3 A USB Power-Delivery 2 2014 20 V, 5 A USB Type-C 1.1 2015 5 V, 3 A USB Power-Delivery 2 2015 20 V, 5 A
Bluetooth Bluetooth - jest technologią bezprzewodowej komunikacji pomiędzy różnymi urządzeniami typu: klawiatura, komputer, telefon, palmtop, itp. Bluetooth jest standardem komunikacji radiowej przeznaczonej dla urządzeń niskiej mocy i oddalonych od siebie na małe odległości. Zasięg urządzenia definiowany jest przez klasę mocy: klasa 1-100 mw - zasięg do 100m klasa 2-2,5 mw - zasięg do 10m klasa 3-1 mw - zasięg do 1m 1.2 1 Mbit/s 2.0 + EDR 3 Mbit/s 3.0 + HS 24 Mbit/s 4.0 24 Mbit/s
Oprogramowanie Systemowe Oprogramowanie Systemowe
Architektura Warstwowa Aplikacje/użytkownicy System operacyjny driver driver driver driver Hardware
Sterowniki Sterownik urządzenia Jest oprogramowaniem komputerowym, który obsługuje lub kontroluje określony typ urządzenie podłączonego do komputera. Sterownik zapewnia interfejs programowy do urządzenia fizycznego, pozwalając systemowi operacyjnemu na dostęp do funkcji urządzenia bez konieczności posiadania szczegółowych instrukcji jak to urządzenie ma być użyte. Instrukcje specyficzne dla urządzenia Driver Instrukcje ogólne
System Operacyjny System operacyjny Jest oprogramowaniem systemowym, które zarządza zasobami sprzętowymi oraz programowymi oraz zapewnia i udostępnia wspólne usługi dla programów komputerowych. Programy użytkowe zazwyczaj wymagają systemu operacyjnego do działania. System operacyjny
Oprogramowanie Narzędziowe Oprogramowanie narzędziowe Jest oprogramowaniem systemowym, zaprojektowanym aby pomagać w analizie, konfiguracji, optymalizacji oraz utrzymaniu komputera. Oprogramowanie narzędziowe
Architektura Warstwowa Aplikacje/użytkownicy System operacyjny driver driver driver driver Hardware
1 BIOS 2 5 4 3 010110
Prostota
Wydajność
Funkcje OS Zarządzanie procesami
Funkcje OS Zarządzanie pamięcią
Funkcje OS Zapewnienie komunikacji urządzeń
Funkcje OS Obsługa systemu plików
Funkcje OS Sieć
Funkcje OS Zarządzanie kontami użytkowników
Podział OS Windows Mac OS android
Model von Neumanna Komputer IBM PC Oprogramowanie Systemowe Podział OS Wspólny sposób interakcji Podsumowanie
Podsumowanie Architektura obecnych komputerów bazuje na modelu von Neumanna. Omówiono architekturę sprzętową komputerów osobistych. Omówiono oprogramowanie systemowe. Przedstawiono funkcje systemów operacyjnych.