Üvod do informačních technologií
Luděk Matýska
Fl MU
Základní podmínky
* Přednášky nejsou povinné
* Zkouška je pouze písemná
* Termíny oznámím do konce října (cca 5, 2 řádné, dva kombinované, jeden
pouze opravný)
Jeden náhradní termín
* Vzhledem ke kapacitním omezením doporučuji rané termíny
* Prototypové zadání písemky dám k dispozici koncem listopadu
* Studijní literatura uvedena u sylabu
* Přednáška je nahrávána na video
PB001 2 Podzim 2007
Cíle přednášky
* Základní orientace v oblasti informačních technologií.
* Úvod do technického a programového vybavení současných
počítačů a propojovacích sítí.
* Etické a sociální rozměry informačních technologií.
* Systémový (konceptuálni) pohled na celou oblast.
* ,,Průvodce" následujícím studiem
PB001 3 Podzim 2007
Dualita Informatiky
* Unikátní kombinace reálných a abstraktních (virtuálních)
systémů
* Technické komponenty (hardware): podléhají fyzikálním zákonům
* Programy (software): ,,ztělesnění" abstraktních konstrukcí
PB001 4 Podzim 2007
Dualita Informatiky
* Unikátní kombinace reálných a abstraktních (virtuálních)
systémů
* Technické komponenty (hardware): podléhají fyzikálním zákonům
* Programy (software): ,,ztělesnění" abstraktních konstrukcí
* Důsledky:
* Virtuální prostředí
* Pocit, že IT stojí mimo ,,realitu"
* Fenomém vaporware
PB001 4 Podzim 2007
ˇ Dva rozměry:
* Od fyzické po programovou vrstvu
* Různé komponenty na téže vrstvě
PB001 5
ozice
Podzim 2007
Dekompozice
Dva rozměry:
* Od fyzické po programovou vrstvu
* Různé komponenty na téže vrstvě
Příklady:
* ISO OSI sííový model: např. linková, transportní a aplikační vrstva
PB001 5 Podzim 2007
Dekompozice
* Dva rozměry:
* Od fyzické po programovou vrstvu
* Různé komponenty na téže vrstvě
* Příklady:
* ISO OSI sííový model: např. linková, transportní a aplikační vrstva
* Vrstvy operačního systému: např. kernel, ovladače, překladače, aplikace
PB001 5 Podzim 2007
Dekompozice
* Dva rozměry:
* Od fyzické po programovou vrstvu
* Různé komponenty na téže vrstvě
* Příklady:
* ISO OSI sííový model: např. linková, transportní a aplikační vrstva
* Vrstvy operačního systému: např. kernel, ovladače, překladače, aplikace
* Různé typy procesorů
PB001 5 Podzim 2007
Dekompozice
* Dva rozměry:
* Od fyzické po programovou vrstvu
* Různé komponenty na téže vrstvě
* Příklady:
* ISO OSI sííový model: např. linková, transportní a aplikační vrstva
* Vrstvy operačního systému: např. kernel, ovladače, překladače, aplikace
* Různé typy procesorů
* Různé programovací jazyky
PB001 5 Podzim 2007
ˇ Technické prostředky
Architektura počítačů a sítí
PB001
:iphny
6 Podzim 2007
ˇ Technické prostředky
Architektura počítačů a sítí
* Programové prostředky
* Operační systémy
* Programovací jazyky
* Aplikace
PB001
:iphny
6 Podzim 2007
Technické prostředky - základní pojmy
* Procesor(-řadič)-paměí-periferie: von Neumannova architektura
PB001 7 Podzim 2007
Technické prostředky - základní pojmy
* Procesor(-řadič)-paměí-periferie: von Neumannova architektura
* Řízené zpracování dat
PB001 7 Podzim 2007
Technické prostředky - základní pojmy
* Procesor(-řadič)-paměf-periferie: von Neumannova architektura
* Řízené zpracování dat
* Jiné modely architektury:
* Turingovy stroje
* Dataflow přístup
* Objektově-orientovaná
* Deklarativní (funkcionální či logická)
PB001 7 Podzim 2007
Procesor
Stroj vykonávající instrukce
Vnitřní hodiny: takt procesoru
Základní jednotka sekvenční (ALU)
Může obsahovat více jednotek: vnitřní paralelismus
Instrukční cyklus: výběr a provedení instrukce jednou jednotkou
PB001 8 Podzim 2007
Typy procesorů
* Univerzální
* CISC: Complex Instruction Set Computer
* RISC: Reduced Instruction Set Computer
* . . .
* Specializované
* Vektorové
* Embedded
PB001 9
Paměť (vnitřní)
* Uchovává data
* Přímo adresovatelná: sloupec a řádek
* Rozsah adres: 16, 32, 64, ... bitů
* Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat
* Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí
* Statická vs. dynamická paměí, volatilita
* Hierarchie pamětí
* Rychlá--pomalá
* Drahá--levná
PB001 10 Podzim 2007
Paměť (vnitřní)
* Uchovává data
* Přímo adresovatelná: sloupec a řádek
* Rozsah adres: 16, 32, 64, ... bitů
* Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat
* Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí
* Statická vs. dynamická paměí, volatilita
* Hierarchie pamětí
* Rychlá--pomalá
* Drahá--levná
* Ilustrace ekonomického imperativu v IT
PB001 10 Podzim 2007
Periferie
* Zajištují vstup/výstup informací:
* komunikace s uživatelem
* permanentní ukládání dat
komunikace s jinými systémy
PB001 11 Podzim 2007
Komunikace s uživatelem
* Interaktivní
* Klávesnice: vstup
* Myš, tablet, stylus, ...: vstup
* Obrazovka: výstup i vstup
* Zvuk: výstup i vstup
* Dávkové: prostřednictvím jiných zařízení
PB001 12 Podzim 2007
Permanentní ukládání dat
* Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM)
* Disky
* Magnetické
* Magnetooptické
* Optické
* Pásky
- Sítě
PB001 13 Podzim 2007
Permanentní ukládání dat
* Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM)
* Disky
* Magnetické
* Magnetooptické
* Optické
* Pásky
- Sítě
* Papír: trvanlivost!
PB001 13 Podzim 2007
Komunikace
* Počítačové sítě
* Drátové
* Elektrické
* Optické
PB001 14
Komunikace
* Počítačové sítě
* Drátové
* Elektrické
* Optické
* Bezdrátové
* Radiové vlny
* Optické
PB001 14
Komunikace
* Počítačové sítě
* Drátové
* Elektrické
* Optické
* Bezdrátové
* Radiové vlny
* Optické
* Akustické
PB001 14
Komunikace
* Počítačové sítě
* Drátové
* Elektrické
* Optické
* Bezdrátové
* Radiové vlny
* Optické
* Akustické
* Mechanické
PB001 14 Podzim 2007
Speciální
* Virtuální realita
* Brýle a helmy
* 3D projekce a prostorový zvuk
* Haptika (rukavice, ...)
* Detekce polohy a pohybu
PB001 15
periferie
Podzim 2007
Speciál
* Virtuální realita
* Brýle a helmy
* 3D projekce a prostorový zvuk
* Haptika (rukavice, ...)
* Detekce polohy a pohybu
* Wearable computers
PB001 1
periferie
Podzim 2007
ˇ Standardní pohled:
* Procesor(y)
* Paměí
* Periferie
* Možné i jiné pohledy
* Buněčné automaty
* Neuronové počítače
PB001
to počítač?
16 Podzim 2007
Paralelní systémy
* Úzce propojené (tightly coupled)
* Volně propojené (loosely coupled)
* Distribuované
* Gridy
PB001 17 Podzim 2007
Úzce propojené systémy
Často společná paměí
Minimální vliv vzdálenosti procesorů
Speciální propojení procesorů a pamětí
Vhodné pro tzv. jemný paralelismus
Typický výpočetní model: sdílená paměí (i kdyby byla pouze
virtuální)
PB001 18 Podzim 2007
Volně propojené systémy
* Převážně distribuovaná paměf (každý procesor zvláší)
* Vzdálenost procesorů může hrát roli
* Speciální propojení procesorů
* Výrazně vyšší latence (zpoždění) v meziprocesorové komunikaci
( /xs a méně)
* Existence operací remote put a remote get pro přístup do
paměti vzdáleného procesoru
* Typický výpočetní model: zasílání zpráv
PB001 19 Podzim 2007
Distribuované systémy
Rozšíření předchozího modelu
Vždy distribuovaná paměí
Vzdálenost procesoru hraje významnou roli
Propojení procesorů často formou běžné LAN sítě
Vysoká latence v meziprocesorove komunikaci (1 -- 100/xs)
Typický výpočetní model: zasílání zpráv
PB001 20 Podzim 2007
Gridy
* Systém distribuovaný po geograficky rozsáhlých prostorech
(země, kontinent, ...)
* Propojeny samostatné počítače (včetně paralelních)
* Propojení počítačů WAN sítí
* Extrémně vysoká latence v meziprocesorové komunikaci
(desítky ms)
* Prakticky jediný výpočetní model: zasílání zpráv
PB001 21 Podzim 2007
Programové vybavení
* Nadstavba technických prostředků
* Vrstvy operačního systému:
* Technické vybavení
Správa paměti
Správa procesů
Správa periferií (I/O)
Správa souborů dat
Uživatelský prostor (nepřesné)
PB001 22 Podzim 2007
Programové vybavení - jiný pohled
* Operační systém
- UNIX, Linux, OS/370, MS Windows, ...
* Programovací jazyky
* C, Pascal, Ada, Occam, ML, Prolog, perl, python, Java, ...
* Podpůrné nástroje
* debuggery, profilery, ...
* Aplikační programy
PB001 23 Podzim 2007
Programovací jazyky
* Rozlišujeme
Styl
* Míru abstrakce
* ,,Dialekt"
PB001 24
Programovací jazyky - styl
* Imperativní/Procedurální: C, Fortran
* Objektově orientované: Java, C++
* Deklarativní/Funkcionální: ML, Lisp, MIRANDA
* Deklarativní/Logické: Prolog, GHC
* S jediným přiřazením: SISAL
* Produkční systémy: OPS5
* Sémantické sítě: NETL
* Neuronové sítě: SAIC ANSpec
PB001 25 Podzim 2007
Procedurální
fac := 1; I
if n > 0 then I
for i : = l to n do I
fac := i*fac; I
PB001
vs. deklarativní styl
fac(O) := 1;
fac(n>0) := n * f a c ( n - l ) ;
f a c ( 0 , l ) .
fac(N,Fl*N) :- f a c ( N - l , F l ) .
26 Podzim 2007
Programovací jazyky - míra abstrakce
* Strojový jazyk: přímo kódy jednotlivých instrukcí
* Assembler: jména instrukcí, operandy, pojmenované cílové
adresy skoků
* Vyšší jazyky: obecné konstrukty, tvoří ,,kontinuum"
* Agregované datové typy
* Cykly namísto skoků
* Procedury a funkce
* Procesy a vlákna
PB001 27 Podzim 2007
Programovací jazyky - implementace
* Překladače
* Zdrojový kód-mezijazyk-strojový jazyk
* Překlad a sestavení
PB001 28 Podzim 2007
Programovací jazyky - implementace
* Překladače
* Zdrojový kód-mezijazyk-strojový jazyk
* Překlad a sestavení
* Interprety
* Abstraktní počítač
* Vhodné pro složité operace (např. práce s texty, s maticemi
a algebraickými objekty)
PB001 28 Podzim 2007
Programovací jazyky - implementace
* Překladače
* Zdrojový kód-mezijazyk-strojový jazyk
* Překlad a sestavení
* Interprety
* Abstraktní počítač
* Vhodné pro složité operace (např. práce s texty, s maticemi
a algebraickými objekty)
* Just-in-time překladače (nejen Java)
* Známy již od osmdesátých let (řešil se tak nedostatek paměti)
PB001 28 Podzim 2007
Výpočetní model
* Souvislost mezi architekturou a jazyky
* von Neumannova architektura a imperativní jazyky
* objektová architektura a objektově orientované jazyky
* redukční architektura a funkcionální programování
PB001 29 Podzim 2007
Výpočetní model - varianty
* Datově orientovaný (nejpoužívanější)
* Objektový
* Funkcionální
* Logický
PB001 30 Podzim 2007
Aplikace
Dávají počítačům smysl
* Vědecko-technické výpočty (vojenství: atomová bomba)
PB001 31 Podzim 2007
Aplikace
Dávají počítačům smysl
* Vědecko-technické výpočty (vojenství: atomová bomba)
* Zpracování informací (Hollerith/IBM: census USA)
PB001 31 Podzim 2007
Aplikace
Dávají počítačům smysl
* Vědecko-technické výpočty (vojenství: atomová bomba)
* Zpracování informací (Hollerith/IBM: census USA)
* Zábava (počítačové hry, video-on-demand)
PB001 31 Podzim 2007
Aplikace
Dávají počítačům smysl
* Vědecko-technické výpočty (vojenství: atomová bomba)
* Zpracování informací (Hollerith/IBM: census USA)
* Zábava (počítačové hry, video-on-demand)
* Řízení (management, control)
PB001 31 Podzim 2007
Společenské aspekty
* Nástroj vědy
* Komunikace
* Zábava
PB001 32
Společenské aspekty
* Nástroj vědy
* Komunikace
* Zábava
* Kriminální činnost
PB001 32
Nástroj vědy
* Původní použití počítačů
* Trvale klíčový směr využití
* Ovlivňuje způsob vědecké práce
* Experimenty versus simulace
* Statistické zpracování velkých souborů
* Astronomie
* Bio-informatika
* Virtuální vědecké týmy (spolupráce)
* Formule 1 výpočetní techniky
PB001 33 Podzim 2007
Komunikace
* Komunikace mezi počítači
* komunikace mezi lidmi (případně člověk-automat) - opět roste
význam
* Telefony
* Faxy
* Mobilní komunikace
* Změna forem spolupráce (B2B, B2C, C2C)
* Zvýšení fragility společnosti
PB001 34 Podzim 2007
Zábava
Televize
Počítačové hry
Pasivní versus aktivní přístup
Peer to peer sítě (Napster, Gnutella, ...)
Virtuální realita
PB001 35 Podzim 2007
Kriminální činnost
* Kriminalita bílých límečků
* Zneužívání zdrojů na síti (účty, výpočetní výkon, kapacita sítě,
poštovní služby, ...)
* Krádeže informací (čísla kreditních karet, telefonní linky,
špionážní činnost)
* Viry
* Záměrně špatné informace
PB001 36 Podzim 2007
Právo a etika v IT
* V podstatě inženýrská disciplína avšak neinzenýrske přístupy
(shrink wrap licence, minimální odpovědnost za chyby, ...)
* Kódy/normy správného chování/přístupu
* Faktická a právní odpovědnost
* IPR (Intellectual Property Rights), autorská ochrana, softwarové
patenty
PB001 37 Podzim 2007
Číselné soustavy
* Definovány základem: desítková, dvojková, osmičková,
šestnáctková
* Volně mezi sebou převoditelné (celá čísla bez ztráty přesnosti)
* Celá čísla a zlomky
* Reálná čísla
* Konečná reprezentace
PB001 38 Podzim 2007
Číselné soustavy
* Definovány základem: desítková, dvojková, osmičková,
šestnáctková
* Volně mezi sebou převoditelné (celá čísla bez ztráty přesnosti)
* Celá čísla a zlomky
* Reálná čísla
* Konečná reprezentace
* První počítače v desítkové soustavě
PB001 38 Podzim 2007
Dvojková soustava
* Základ číslo dvě:
* pouze dvě číslice/dva stavy
* vhodná pro reprezentaci v elektrických systémech
PB001 39 Podzim 2007
Dvojková soustava v počítači
* Konečná reprezentace: interval hodnot
* Pro reálná čísla:
* Rozlišitelnost (nejmenší zobrazitelné číslo): X + e>XaX + e/2 = X
* Přesnost (rozsah)
* Zobrazení: mantisa m a exponent e
0 < m < l A x = m.2e
* Záporná čísla:
* Přímý kód
* Inverzní kód
* Dvojkový doplňkový kód
PB001 40 Podzim 2007
Záporná čísla - zobrazení
* Přímý kód:
* Přidáme znaménko
* Dvě nuly: +0 a - 0 (10 ... 00)
* Rozsah: (-MAX, -0) a (+0, +MAX)
* Inverzní kód:
* Přidáme znaménko
* Dvě nuly: +0 a - 0 (11... 11)
* Rozsah: (-MAX, - 0 a (+0, +MAX)
PB001 41
Záporná čísla - zobrazení
* Dvojkový doplňkový kód:
* Inverze bitu a přičtení jedničky
* Pouze jedna nula (11... 11 je --1)
* Nesymetrický rozsah: (-MAX - l , - 1 ) a (+0, +MAX)
* Skutečně používán v počítačích
PB001 42 Podzim 2007
Rozsahy čísel
* Podle počtu bitů:
* Byte: 8 bitů, tj. (0,255) nebo (-128,127)
* Půl slovo, 2 byte: 16 bitů, tj. (0,65535) nebo
(-32768,32767)
* Slovo, 4 byte: 32 bitů, tj. přibližně (-2.109
,2.109
)
* Dvojslovo (nebo dlouhé slovo), 8 byte: 64 bitů, tj. přibližně
(-9.1018
,9.1018
)
PB001 43 Podzim 2007
Racionální čísla
* Formát dle IEE 754
* Součásti:
* Znaménko
* Mantisa (přímý kód, normalizace, m bitů)
* Exponent (v kódu posunuté nuly, n bitů)
PB001 44 Podzim 2007
Racionální čísla
* Normalizace mantisy (exponent má n bitů):
* Nejvyšší bit vždy jedna: l.aaaaaa; 1 nezapisujeme
* Nejmenší kladné číslo: 1.0 x 2~2n_1+1
(2~127
pro n = 8)
- Největší číslo: 1.0 x 22n_1
(2128
)
* Exponent (n bitů, dvojková soustava)
* Přičteme 2n _ 1
-- 1 (=127 pro n = 8), abychom získali správnou hodnotu
pro uložení
* ooooooooo je -127
* 111111111 je 128
* Zvláštní a nenormalizovaná čísla
PBOOI 45 Podzim 2007
Racionální čísla II
* Rozsah zobrazení: (Největší záporné, Největší kladné)
* Přesnost zobrazení: počet bitů mantisy+1
* Rozlišitelnost: nejmenší nenulové číslo
* Normalizované vs. nenormalizované (2m
krát menší, m počet bitů mantisy)
PB001 46 Podzim 2007
Jiné soustavy
* Osmičková
* 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 2 = 15578 = 879io
* Šestnáctková
* 0011 0110 11112 = 36Fi6 = 879io
* Používány především pro ,,hutný" zápis binárních čísel
PB001 47 Podzim 2007
Operační systémy - trocha historie
* Bootstrap loader
* Spooling
* Nezávislé zavádění programu a jeho vykonávání
* Vyžaduje DMA (Direct Memory Access)
* Zavedlo multiprogramování
* Stále zpracování dávek (batch processing)
* Timesharing
* Virtualizace počítače/CPU
* Zpracování interaktivních úloh
* Souvisí se zavedení disků (Direct Access Storage Device, DASD od IBM,
60tá léta)
PB001 48 Podzim 2007
Operační
* Zkrásnění:
* Zjednodušení práce s počítačem
* Práce s pamětí
* Práce se soubory
* Přístup k periferiím
PB001 49
témy: účel
Podzim 2007
Operační systémy: účel
* Sdílení:
* Zajistit sdílení vzácných zdrojů
* Musí zajistit:
* Aby to vůbec fungovalo
* Aby to fungovalo účinně (využití, propustnost, rychlost odezvy)
* Aby to fungovalo správně
* Omezení následků chyb (avšak pozor na chyby v samotném
operačním systému)
* Oprávnění k přístupu (autentizace a autorizace)
PB001 50 Podzim 2007
OS: problém časování
* Periferie výrazně pomalejší než procesor
* Příklad
* 1 GHz Pentium IV: 1.109
operací za sekundu
* Běžný disk: 10 ms pro přečtení 1 byte
* Poměr 1 : 10 000 000
* Stejné zpomalení člověka: 1 úhoz na klávesnici cca 20 dní.
* Možné řešení: prokládání I/O a výpočtu
* Spusť diskovou operaci
Prováděj instrukce nad jinými daty (alespoň l~milion instrukcí)
Počkej na dokončení
Příliš těžkopádné a složité
PB001 51 Podzim 2007
OS časování: jiné řešení
Proces 1 {
Spusť diskovou operaci
Počkej na dokončení
Zpracuj získaná data
}
Proces 2 {
Nějaká j i n á aplikace
}
* Přehlednější
* OS musí ,,přepínat" mezi procesy {priorita)
PB001 52 Podzim 2007
OS: paměf
* Většina paměti nevyužita
* Zpracování cyklu (zbytek programu)
* Zpracování konkrétních dat (ostatní neaktivní)
* Čekání na I/O
* Virtualizace paměti
* Data a programy na disku
* Do paměti na žádost
* Umožňuje
* Každý program má ,,celou" paměí
* Program může adresovat více jak rozsah fyzické paměti
* Ochrana paměti
PB001 53 Podzim 2007
OS: '
Procesy a jejich správa
Paměí a její správa
Periferie a jejich správa
Systém souborů
Ochrana a bezpečnost
PB001
adní složky
54 Podzim 2007
Procesy
* Proces je abstrakce průchodu programem
* Sekvenční model: program = 1 proces
* Paralelní model: program > 1 proces
* Proces má interní stav, charakterizovaný
* programovým čítačem (program counter)
* zásobníkem (volání funkcí a procedur)
* vlastní pamětí pro data
PB001 55 Podzim 2007
Typy procesů
* Klasické (heawy-weight) procesy (např. UNIX)
* Všechna data privátní
* Sdílen pouze program (read-only)
* Lehké (light-weight) procesy či Vlákna (threads)
* Minimum vlastní paměti
* Většina dat sdílena
PB001 56 Podzim 2007
Procesy detailněji
* Vytvoření procesu
* forkO a jeho varianty
* Přesná kopie původního procesu
* Rodič a potomek
* První proces v OS vytvářen jinak (init v Unixu)
* Stavy
* Start/vytvoření, připraven (ready), běží (running), je blokován (čeká),
skončil
PB001 57 Podzim 2007
Synchronizace - problém
* Race condition: soupeření v čase
* Proces P {
Load RegistrA, X
Load RegistrB, Y
Add RegistrA, RegistrB
Store RegistrA, X # X+=Y
}
* Dvě instance procesu P, používají stejná X a Y
* Nedefinovatelné výsledky
* Je-li na začátku X=Y=1, pak na konci může být X=2 nebo X=3
PB001 58 Podzim 2007
Synchronizace - řešení
* Kritická sekce
* Semafory: ano/ne
* Monitory: čitače
* Smrtelné objetí (deadlock)
* Odstranění sdílených zdrojů: zasílání zpráv
* Synchronizace na úrovni zasílání a přijímání zpráv
* Buffery
PB001 59 Podzim 2007
Procesy - plánování
* Sdílení (timesharing)
* časové kvantum
* přerušení
* Prioritní
* Statistické
* Real-time
* Plánovač (scheduler)
PB001 60 Podzim 2007
Správa paměti
* Dvě základní operace:
* alokuj/přiděl pamět (velikost, vrací počáteční adresu)
* dealokuj/uvolni paměí (velikost a počáteční adresa)
Většinou závislé (lze uvolnit jen přesně totéž, co jsme alokovali dříve)
* Doplňková operace: změň rozsah alokované paměti (reallocate)
* Organizace paměti
* Čištění paměti (garbage collection)
PB001 61 Podzim 2007
Správa paměti OS
* Virtualizace paměti - nutno uvolnit fyzickou paměí
* Swapping
* Celých procesů
* ,,Děr" v paměti
* Stránkování
* Segmentace
PB001 62 Podzim 2007
Ochrana a bezpečnost
* Ohrožení:
* Přístup (čtení)
* Zápis (modifikace)
* Znepřístupnění služby (denial of service)
* Trojský kůň
* Vydává se za něco, co není
* Viry
PB001 63
Principy návrhu bezpečných systémů
Zveřejnění algoritmů
Standardní nastavení = žádný přístup
Pravidelné kontroly
Minimální oprávnění
Jednoduchý a uniformní mechanismus
Úrovně oprávnění
PB001 64 Podzim 2007
Client-server model
* Distribuované počítání: rozložení úkolů na více prvků
* Client-server model
* Speciální případ distribuovaného počítání
* Více strukturované
* Asymetrické: klient posílá požadavek na zpracování serveru
* Server pro jednoho klienta může být klientem pro jiný server.
PB001 65 Podzim 2007
Vlastnosti modelu client-server
* Klient a server samostatné procesy
* Na stejném nebo různých počítačích
* Interní informace je ,,soukromá" pro každý proces
* Komunikují tzv. peer-to-peer protokolem
PB001 66 Podzim 2007
Společné vlastnosti
Interoperabilita
Portabilita
Integrace
Transparence
Bezpečnost
PB001 67 Podzim 2007
Příklady
* telnet
* X Window systém na Unixu
* Světová pavučina (World Wide Web)
PB001 68 Podzim 2007
Třívrstevný model
* Základní rozčlenění
* Data
* Logika
* Prezentace
* Sousední možno kombinovat/rozdělit (tj. např. Logika může být
součástí datové i prezentační vrstvy, a to i současně)
PB001 69 Podzim 2007
,,Tlustý" a ,,tenký"
* Platí pro server i klient, podstatné zejména v souvislosti s klienty
* ,,Tlustý" (fat) klient:
* Značná spotřeba lokálních zdrojů (CPU, paměí, disk)
* Komplexní provedení i instalace
* Příklad: Mozilla
* ,,Tenký" (thin) klient:
* Jednodušší
* Snadná správa
* Menší skalovatelnost (příliš mnoho práce dělá server)
* Zpravidla vyšší nároky na propustnost sítě
PB001 70 Podzim 2007
Middleware
* ,,Zkratka" v rámci protokolů
* Komunikace přímo na vyšší abstraktní úrovni
* Realizuje jednu (RPC) nebo více (DCE) funkcí
PB001 71 Podzim 2007
Middleware - příklady
* Primitivní: přenos souborů
* Základní: RPC (Remote Procedure Call)
* Integrované: DCE (Distributed Computing Environment)
* Distribuované objektové služby: CORBA, OGSA (Open Grid
Service Architecture)
PB001 72 Podzim 2007
CORBA
* Common Object Request Broker Architecture
* Základem ORB: vrstva, která zprostředkovává komunikaci
(middleware pro middleware)
* Kompomenty:
* Rozhraní (řetězce)
* Pojmenování (naming service)
* ,,Obchodní" služba (trader)
PB001 73 Podzim 2007
Mobilní systémy
* Inherentně distribuované
* Často klient-server model
* Tencí i tlustí klienti
* Kompromis mezi výkonem a propustností sítě/připojení
* Konvergence
* Od notebooků po mobilní telefony
PB001 74 Podzim 2007
Návrh - principy
efektivita
robustnost
flexibilita
přenositelnost
kompatibilita
PB001 75 Podzim 2007
Efektivita
* Maximální využití dostupných zdrojů
* Použití jednoduchých a jasných principů
* Dekompozice návrhu
* Objektově orientovaný návrh (pozor na přílišnou fragmentaci)
* Agenti
* Komponentní programování
PB001 76 Podzim 2007
Robustnost
* Schopnost úspěšně se vzpamatovat po výpadku
* Řešeno redundancí (standardní inženýrské řešení): snižuje
ovšem pozorovanou efektivitu
* První výzkum v ČR koncem 50. a začátkem 60. let (Ing. Svoboda)
* Běžné trojnásobné jištění (např. řídící počítače atomových ponorek USA)
* V současné době zájem o self-healing programy
PB001 77 Podzim 2007
Flexibilita
* Možnost úpravy (adaptace) podle změněných potřeb
* Často používána ve významu rozšiřitelnost (extenzibilita)
* Definuje a fixuje se rámec (framework)
* Přidání nové složky bez změny rámce snadné
* Případně hierarchie rámců (přidání či modifikace nového rámce)
PB001 78 Podzim 2007
Přenositelnost
* Úzce souvisí s operačními systémy
* Dostatečná abstrakce detailů
* Virtuální ,,disk" namísto konkrétního zařízení
* Programy psány bez odkazů na speciální vlastnosti
* Využití standardů
* Opět možný rozpor s požadavkem efektivity
PB001 79 Podzim 2007
Kompatibilita
* Odstínění specifických detailů
* Využití standardů
* Efektivita?
* Nemusí být negativně ovlivněna
PB001 80 Podzim 2007
Externí požadavky (na funkcionalitu OS)
* Stejný (podobný) hw a různé priority
* Server: např. stabilita, bezpečnost, propustnost
* Pracovní stanice: např. snadnost ovládání, rozumný výkon ve všech
oblastech
* Specializovaná grafická stanice: maximalizace grafického výkonu
* Řídící systém: požadavky real-time, robustnost,
PB001 81 Podzim 2007
Bezpečnost
* Snižuje snadnost použití
* Klade dodatečná omezení na uživatele (disciplina)
* Větší nároky na správu systému
* Srovnání: MS Windows 95 versus MS Windows NT
PB001 82
Klasifikace OS
* Monolitický
* Vrstvený
* Modulární
* mikro-kernel
PB001 83 Podzim 2007
Monolický OS
Původní operační systémy (proprietární)
Abstrakce nepoužívána příliš dovnitř
Nejasné rozlišení funkcí uvnitř operačního systému
,,Velké", špatně rozšiřitelné, špatně udrzovatelne
Poplatné době pomalejšího vývoje hardware a jeho vysoké ceny
PB001 84 Podzim 2007
Vrstvený OS
* Vrstvy odpovídají procesům správy:
* Správa CPU
* Správa paměti
* Správa periferií
Správa systému souborů
* Lepší abstrakce
* Komunikace mezi vrstvami
PB001 85
Modulární OS
Moduly namísto vrstev
Zapouzdření (enkapsulace) funkcí
Komunikace mezi moduly
Příbuzný objektovému přístupu
Lepší údržba
Riziko vzniku ,,fatware"
PB001 86 Podzim 2007
Kernel operačního systému
* Kernel, též jádro operačního systému:
* Základní složka operačního systému
* Odpovídá za:
* Alokaci a správu zdrojů
* Přímé ovládání hardware (nízkoúrovňové interfaces)
* Bezpečnost
* Mikrokernel:
* Malé je pěkné
* Modulární přístup, malé moduly odpovídající za konkrétní operace
* Řada funkcí až v uživatelském prostoru
* Vysoce flexibilní, upravení operačního systému podle potřeby
PB001 87 Podzim 2007
Aplikační programová rozhraní (API)
* Definují způsob (,,calling conventions") přístupu k operačnímu
systému a dalším službám
* Definováno na úrovni zdrojového kódu
* Představuje abstrakci volané služby
* Účel:
* Přenositelnost
* Snadná správa kódu
* Další použití
* Překlad mezi službami vysoké a nízké úrovně
* Převod typů/struktury parametrů
B001 * Převod mezi způsoby předáván|8parametrů (by-value a by-referen^g^
API - příklady
* Práce se soubory:
* Otevření: int open(char *path, int of lag, . . . )
v
* Ctení: int read(int fildes, char *buf, unsigned nbytes)
* Zápis: int write(int fildes, char *buf, unsigned nbytes)
* Zavření: int close(int fildes)
* Práce s pamětí:
* Alokace paměti: void *malloc(size_t size)
* Uvolnění paměti: void free(void *ptr)
* Změna alokace: void *realloc(void *ptr, size_t size)
PB001 89 Podzim 2007
Periferie z pohledu (modulárního) OS
* Ovladače na nejnižší úrovni (,,nejblíže" hardware)
* Specifické ,,jazyky" ovládání periferií na této úrovni
* Práce se signály (např. změna stavu periferie)
* Příklady
* Práce s diskem
* Ovládání klávesnice a myši (čtení signálů)
* Grafika a ovládání grafických rozhraní
* Sííové karty
PB001 90 Podzim 2007
Periferie - pohled ,,shora"
* Zpřístupněny prostřednictvím příslušného API
* Abstrakce: možnost výměny konkrétního zařízení (disk, sííová
karta) bez vlivu na způsob použití
* Příznaky a klíče pro ovládání specifických vlastností:
přenositelnost versus efektivita
PB001 91 Podzim 2007
Systém souborů
* Základní funkce:
* Vytvoření souboru
* Čtení a psaní z/do souboru
* Odstranění (smazání) souboru
* Spuštění souboru (soubor=program)
* Podpora na úrovni operačního systému
PB001 92
Struktura systému souborů
* Hierarchické systémy:
* Kořen (root)
* Adresáře jako speciální typ (meta)souboru: drží informace o souborech,
nikoliv jejich vlastní data
* Databázové systémy:
* Soubory (nebo jejich části) jako položka v databázi
* Bohatší množina operací
* Složitější implementace
PB001 93 Podzim 2007
Struktura souborů
* Posloupnost bytů - vnitřní struktura pro OS neznáma
* Posloupnost záznamů (records)
* Strom - každý uzel má vlastní klíč
PB001 94 Podzim 2007
Typ a přístup
* Typy souborů (v UNIXovém OS)
* Řádné: běžné soubory
* Adresáře: udržení hierarchické struktury
* Speciální: přístup ke konkrétnímu zařízení (/dev/mouse, /dev/audio,
/dev/ip); speciální /proč systém
* Blokové: náhodný přístup na základní úrovni (/dev/hd, /dev/kmem)
* Přístupové metody; příklady:
* Sekvenční
* Náhodný (random)
* Indexsekvenční (není v běžném UNIXu)
PB001 95 Podzim 2007
Struktura na disku
* Možné typy
* Souvislé
* souvislé posloupnost bloků (složitá alokace, plýtvání místem)
* Provázaný seznam:
* každý blok odkazuje na další (může růst, vyšší režie - pro ukazatel,
složitý náhodný přístup)
* Indexové:
* Např. FAT (File Allocation Table) v MS DOSu
* Tabulka pro všechny bloku na disku
* Provázány odkazem na další blok daného souboru
* inodes
PB001 96 Podzim 2007
Struktura - inodes
* Podobné indexovému
* Pevná délka tabulky pro každý soubor
* Kratší soubory adresovány přímo
* Pro delší soubory alokována další tabulka
* Tabulky provázány hierarchicky (1., 2. a 3. úroveň)
* Flexibilní, malá režie
PB001 97 Podzim 2007
Volné bloky
* V tabulce
* Bitový vektor
* Provázaný seznam
* Většinou zpracovávány podle FCFS (First Come First Served)
PB001 98 Podzim 2007
Vyrovnávací paměf
Obecně přístup pro skrytí zpoždění (latence)
Nejčastěji používané bloky/soubory uloženy v paměti
Pouze pro čtení (snazší) nebo i pro zápis
Problém: konzistence při přístupech/zápisech z více míst
Základní typy
* Write-through: okamžitě po zápisu i na disk
* Write-back: až po určité době (30 s)
PB001 99 Podzim 2007
Ochrana souborů
Základní operace:
* čtení, zápis (včetně vytvoření), smazání, prodloužení a spuštění souboru
Ochranné domény:
Skupina, která má stejná práva
* Např.: Já, moji přátelé, ostatní
* Statické versus dynamické
* UNIX: user--group--other
PB001 100 Podzim 2007
Řízení přístupu k souborům
* Access Control List, ACL (seznamy přístupových oprávnění);
připojen ke každému souboru
* Základní (z UNIXových systémů):
* r: čtení souboru (čtení obsahu adresáře)
* w: zápis souboru (včetně vytvoření)
* x: spuštění (sestoupení do podadresáře)
* Plné ACL: více práv, dynamická práce se skupinami
* Capability List, CL
* Uspořádání podle domén, nikoliv podle souborů
* Vhodné pro distribuované systémy
* Schopnost (capability) tj. práva přístupu patří procesu a ten je může
PB001 předávat dalším procesům 101 Pod.
Ochrana přístupu uvnitř OS
* Kernel a uživatelský prostor
* Oddělení na hw úrovni
* Každá stránka někomu patří
* Pouze kernel má přístup k hardware
* Kontroluje práva přístupu
* Obsluhuje zařízení (pro všechny)
* Garantuje serializaci přístupu
* Uživatelské procesy používají volání kernelu (jádra)
PB001 102 Podzim 2007
Přístup k paměti
* Příslušnost virtuálních stránek k procesu
* Výpadek stránky: nepovolený přístup
* Ochrana
Mezi procesem a jádrem
* Mezi procesy
* Uvnitř procesu
PB001 103 Podzim 2007
Přerušení
* Operační systémy obecně reagují na události (events)
* Přerušení: mechanismus, jak přerušit vykonávanou práci na
základě externí příčiny (nějaké události)
PB001 104 Podzim 2007
Význam přerušení
* Výpadek proudu
* Výpadek hardware
* Problém v programovém vybavení
* Neautorizovaný přístup
* Nelegální instrukce nebo operandy
* Zásah operátora
* Podpora I/O
* Požadavek počítačem řízeného systému
PB001 105 Podzim 2007
Příklady
* Přerušení od časovače (přeplánování procesů, timeout, ...)
* Přerušení od periferie (klávesnice, myš, sííová karta, ...)
* Přerušení z procesoru (dělení nulou, chybná operace, ...)
PB001 106 Podzim 2007
Principy přerušení
* Přeruší běh aktuálního programu
* Nutno schovat stav
* a zapamatovat místo návratu
* Více zdrojů a příčin přerušení
* Nutno rozlišit typy (příčinu) přerušení
* Nutno zapamatovat zdroj přerušení
PB001 107
Obsluha přerušení
* Obsluha přerušení realizována v kernelu
* Zajištění serializace
* Bezpečnost
* Vyvolá tzv. přepnutí kontextu
PB001 108 Podzim 2007
Další vlastnosti
* Maskování přerušení
* dočasné a trvalé
* možná ztráta přerušení/události
* Priorita přerušení/obsluhy
* Základní tři úrovně:
* Nemaskovaná přerušení: vyšší priorita
* Aktuálně zpracovávané přerušení
* Maskovaná přerušení: nižší priorita
PB001 109 Podzim 2007
Polling
* Polling = opakované dotazování (na stav/událost)
* Možná alternativa pro některá přerušení
* Zaměstnává procesor
* Může zůstat v uživatelském prostoru
PB001 110 Podzim 2007