FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita PB001: Uvod do informačních technologií Luděk Matýska (Eva Hladká) podzim 2019 Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 1/26 FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Obsah přednášky Technické prostředky Návrh OS Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 2/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Technické prostředky - základní pojmy Procesor(-řadič)-paměf-periferie: von Neumannova architektura Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 3/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Technické prostředky - základní pojmy ■ Procesor(-řadič)-paměť-periferie: von Neumannova architektura ■ Harward memory model: zvláší paměť pro data a zvlášť pro program ■ Řízené zpracování dat Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 3/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Technické prostředky - základní pojmy ■ Procesor(-řadič)-paměť-periferie: von Neumannova architektura ■ Harward memory model: zvláší paměť pro data a zvlášť pro program ■ Řízené zpracování dat m Jiné modely architektury: ■ Turingovy stroje ■ Dataflow přístup ■ Objektově-orientovaná ■ Deklarativní (funkcionální či logická) Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 3/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Procesor ■ Stroj vykonávající instrukce m Vnitřní hodiny: takt procesoru ■ Základní jednotka sekvenční (ALU, FPU) ■ Může obsahovat více jednotek: vnitřní paralelismus ■ Instrukční cyklus: výběr a provedení instrukce jednou jednotkou Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 4/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Typy procesorů ■ Univerzální ■ CISC: Complex Instruction Set Computer ■ RISC: Reduced Instruction Set Computer ■ S jedním, několika či mnoha jádry části Logiky znásobeny, část sdílena ■ vyšší kumulovaný výkon ■ problém programování paralelního systému (sdílené části slabým místem (bottleneck)) ■ • • • ■ Specializované ■ Vektorové ■ Grafické ■ Embedded Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 5/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Paměť (vnitřní) ■ Uchovává data ■ Přímo adresovatelná: sloupec a řádek ■ Rozsah adres: 16, 32,64, 128, ...bitů ■ Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat ■ Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí ■ Statická vs. dynamická pamět volatilita ■ Hierarchie pamětí ■ Rychlá-pomalá ■ Drahá-levná Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 6/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Paměť (vnitřní) ■ Uchovává data ■ Přímo adresovatelná: sloupec a řádek ■ Rozsah adres: 16, 32,64, 128, ...bitů ■ Cyklus paměti: doba nezbytná pro vystavení nebo zápis dat ■ Vzpamatování se po provedené operaci, prokládání pamětí ■ Statická vs. dynamická pamět volatilita ■ Hierarchie pamětí ■ Rychlá-pomalá ■ Drahá-levná ■ Ilustrace ekonomického imperativu v IT Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 6/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Periferie ■ Zajišťují vstup/výstup informací: ■ komunikace s uživatelem ■ permanentní ukládání dat ■ komunikace s jinými systémy Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 7/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace s uživatelem ■ Interaktivní ■ Klávesnice: vstup ■ Myš, tablet (ve smyslu perfierie), stylus,...: vstup ■ Obrazovka: výstup i vstup ■ Zvuk: výstup i vstup ■ Dnes již i bezdotykové (kamery, kinect) ■ Dávková: nepřímá, prostřednictvím jiných zařízení Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 8/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Permanentní ukládání dat ■ Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM) ■ Disky ■ Magnetické ■ Magnetooptické ■ Optické ■ Solid State Bloková zařízení ■ Pásky ■ Lineární přístup ■ Sítě Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 9/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Permanentní ukládání dat ■ Paměti (ROM, PROM, EPROM, NVRAM) ■ Disky ■ Magnetické ■ Magnetooptické ■ Optické ■ Solid State Bloková zařízení ■ Pásky ■ Lineární přístup ■ Sítě ■ Papír (kámen): trvanlivost! Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 9/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace ■ Počítačové sítě Drátové ■ Metalické/Elektrické ■ Optické Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 10/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace ■ Počítačové sítě Drátové ■ Metalické/Elektrické Optické ■ Bezdrátové ■ Radiové vlny ■ Optické Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 10/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace ■ Počítačové sítě ■ Drátové ■ MetaLické/ELektrické Optické ■ Bezdrátové ■ Radiové vlny ■ Optické ■ Akustické Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 10/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Komunikace ■ Počítačové sítě ■ Drátové ■ MetaLické/ELektrické Optické ■ Bezdrátové ■ Radiové vlny ■ Optické ■ Akustické Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 10/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Speciální periferie ■ Virtuální realita ■ Brýle a helmy ■ 3D projekce a prostorový zvuk ■ Haptika (rukavice,...) ■ Detekce polohy a pohybu Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 11/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Speciální periferie ■ Virtuální realita ■ Brýle a helmy ■ 3D projekce a prostorový zvuk ■ Haptika (rukavice,...) ■ Detekce polohy a pohybu ■ Mobilní telefony, phablety a tablety ■ Wearable computers Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 11/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Co je to počítač? ■ Standardní pohled: ■ Procesor(y) ■ Paměf ■ Periferie ■ Možné i jiné pohledy ■ Buněčné automaty ■ Neuronové počítače Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 12/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Paralelní systémy r ■ Úzce propojené (tightly coupled) ■ Volně propojené (Loosely coupled) ■ Distribuované ■ Gridy Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 13/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Úzce propojené systémy ■ Často společná paměf ■ Minimální vliv vzdálenosti procesorů ■ Speciální propojení procesorů a pamětí ■ Vhodné pro tzv. jemný paralelismus ■ Typický výpočetní model: sdílená paměf (i kdyby byla pouze virtuální) Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 14/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Volně propojené systémy ■ Převážně distribuovaná paměf (každý procesor zvláši) ■ Vzdálenost procesoru může hrát roLi ■ Speciální propojení procesoru ■ Výrazně vyšší Latence (zpoždění) v meziprocesorové komunikaci (jednotky mus a méně) ■ Existence operací remote put a remote get pro přístup do paměti vzdáleného procesoru ■ Typický výpočetní model: zasílání zpráv Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 15/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Distribuované systémy ■ Rozšíření předchozího modelu ■ Vždy distribuovaná pamef ■ Vzdálenost procesoru hraje významnou roli ■ Propojení procesoru často formou běžné LAN sítě ■ Vysoká Latence v meziprocesorové komunikaci (100/xs až jednotky ms) ■ Typický výpočetní model: zasílání zpráv Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 16/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita 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 až stovky ms) ■ Prakticky jediný výpočetní model: zasílání zpráv Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 17/26 Technické prostředky FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita OS jako příklad ■ Operační systém je veLmi komplikovaný programový produkt ■ Vývoj odráží změny v informačních technologiích ■ programovací jazyky ■ softwarové inženýrství ■ vývoj hardware (kvalita, kapacita,...) ■ vývoj periferií ■ (Prakticky) každý se s ním potká ■ Principy návrhu proto demonstrovány na operačních systémech a jejich komponentách Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 18/26 Návrh OS FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Návrh OS - principy ■ efektivita ■ robustnost ■ flexibilita ■ přenositelnost ■ kompatibilita ■ bezpečnost Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 19/26 Návrh OS FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Efektivita ■ Maximálni využití dostupných zdrojů ■ Použití jednoduchých a jasných principů ■ Dekompozice návrhu ■ Objektově orientovaný návrh (pozor na prílišnou fragmentaci) ■ Agenti ■ Komponentní programování Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 20/26 Návrh OS FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Robustnost ■ Schopnost úspešne 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 ■ rozpoznání problému (výpadek nějaké komponenty) ■ návrh reakce a její implementace ■ nemusí garantovat plnou funkčnost/kapacitu ■ garantuje nezhroucení celého systému Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 21/26 Návrh OS FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Flexibilita ■ Možnost úpravy (adaptace) podLe zmenených potřeb -Adaptabilita m Příklad: výměna hw komponenty bez efektu na systém ■ změna parametrů (rychlejší disk s větší kapacitou), ale nikoliv změna principu v ■ Často používána i 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) ■ Příklad: přidání dalšího procesoru, disku či grafické karty Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 22/26 Návrh OS FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Přenositelnost ■ VeLmi významná pro operační systémy ■ V minulosti se OS dělal přím ona konkrétní hardware, nebylo jej kam přenášet ■ „Revoluce": ■ OS/360 firmy IBM v 60. letech ■ UNIX (a jazyk C) v sedmdesátých letech (Multics) ■ IBM PC a MS Windows ■ Linux ■ Dostatečná abstrakce detailů ■ Virtuální ,disk" namísto konkrétního zařízení ■ Programy psány bez odkazů na speciální vlastnosti ■ Využití standardů ■ Opět možný rozpor s požadavkem efektivity Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 23/26 Návrh OS FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Kompatibilita ■ Úzce souvisí s přenositelností ■ Odstínění špecifických detailů ■ usnadňuje práci uživatelům OS (včetně programátorů) ■ Využití standardů ■ Efektivita? ■ Skrytí výkonových specifik ■ Je možné kompenzovat ■ Tlak na výrobce, af „nekomplikují" situaci ■ sjednocení architektury CPU ■ minimalizace variant GPU Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 24/26 Návrh OS FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Bezpečnost CÍL: ■ Ochrana data majetku před krádeží,zneužitím,či poškozením při současném zachování přístupu vybraných uživatelů. Problémy: ■ Větší nároky na správu systému ■ Snižuje snadnost použití ■ musíte se přihlásit ■ Klade dodatečná omezení na uživatele (disciplina) ■ bezpečnost není jen technický, ale především organizační úkol ■ Srovnání: MS Windows 95 versus MS Windows NT Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 25/26 Návrh OS FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita 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, Řešit různými operačními systémy nebo jedním dostatečně variabilním? Luděk Matýska (Eva Hladká) • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 26/26