Jakso 12 Yhteenveto. Keskeiset asiat Teemu Kerola, K2000

Transkriptio

1 Jakso 12 Yhteenveto Keskeiset asiat 1

2 Tavoitteet (4) Ymmärtää tietokonejärjestelmän keskeiset piirteet sillä suoritettavan ohjelman näkökulmasta Miten tietokonejärjestelmä suorittaa sille annettua ohjelmaa? Minkälaista koodia suoritin ymmärtää? Mikä on käyttöjärjestelmän rooli? 2

3 Mitä hyötyä tästä on? (2) Ohjelman suoritusnopeus perustuu suorittimen (CPU) suorittamiin konekäskyihin, ei pelkästään ohjelman korkean tason esitysmuotoon Ylemmän tason asioiden ymmärtäminen on helpompaa (mahdollista), kun ymmärtää alemman tason asiat 3

4 Keskeisiä asioita (9) Järjestelmä kokonaisuudessaan, nopeuserot Esimerkkikone ja sen käyttö Konekielinen ohjelmointi Suoritin, rekisterit, väylät, muisti konekäskyjen suoritussykli, keskeytykset Aktivointitietuepino, aliohjelmien toteutus Tiedon esitysmuodot (ohjelma vs. laitteisto) Prosessi ja sen toteutus (PCB) Ulkoinen muisti ja I/O laitteet laiteajurit, laitekeskeytykset, levymuisti Ohjelmien suoritus järjestelmässä käännös, linkitys, lataus, tulkinta, emulointi, simulointi Esimerkkejä keskeisistä asioista seuraavilla kalvoilla 4

5 Nopeuserot: juustokakku Rekisterien, välimuistin, muistin, levymuistin ja magneettinauhan nopeudet suhteutettuna juuston hakuaikaan juustokakkua tehdessä? Europa käsi pöytä jääkaappi kuu (Jupiter) 1 sek 0.5 sek (väli- 10 sek (rekisteri) muisti) (muisti) 12 pv (levy) 4 v (nauha, ihminen) 5

6 Esimerkkikone: TTK-91 laitteisto muisti suoritin - CPU ALU CU rekisterit MMU (kirjastorutiinit) (käyttöjärjestelmä) (cache) (tlb) ohjelma data väylä laiteohjaimet 6

7 Konekielinen ohjelmointi for (int i=20; i < 50; ++i) T[i] = 0; I DC 0 LOAD R1, =20 STORE R1, I Loop LOAD R2, =0 LOAD R1, I STORE R2, T(R1) LOAD R1, I ADD R1, =1 STORE R1, I LOAD R3, I COMP R3, =50 JLES Loop 7

8 TTK-91 Nouto- ja suoritussykli Hae käsky PC++ M=2 M>0 pura käsky, laske osoite lue muistista M=0 suorita käsky pushr kirj. muistiiin write push pushr D=0 (SR) tarkista keskeytykset noutosykli Noutosykli suoritussykli 8

9 Suorittimen tilat Käyttäjätila user kernel voi käyttää vain tavallisia käskyjä voi viitata vain käyttäjän omaan muistiavaruuteen (MMU valvoo) Etuoikeutettu tila tai (KJ:n) ytimen tila voi käyttää kaikkia konekäskyjä myös etuoikeutettuja (esim. clear_cache, iret) voi viitata kaikkialla muistiin, myäös käyttöjärjestelmän ytimeen (kernel) voi käyttää myös suoria muistiosoitteita (PA) 9

10 Aktivointitietue Aliohjelman toteutusmuoto (ttk-91) kaikkien ulostuloparametrien arvot kaikkien (sisäänmeno) parametrien arvot paluuosoite kutsukohdan aktivointitietue aliohjelman ajaksi talletettujen rekistereiden arvot kaikki paikalliset muuttujat ja tietorakenteet int funca (int x,y); paluuarvo param x param y vanha PC vanha FP vanha R1 vanha R2 paik. m. i1 paik. m. i2 10

11 IEEE 32-bit FP Standard = sign exponent mantissa or significand 23 bittiä mantissalle, siten että... 1) Binääripiste (.) on heti ensimmäisen bitin jälkeen 2) Mantissa on normalisoitu: vasemmanpuolimmainen bitti on1 3)Vasemmanpuolimmaista (eniten merkitsevä) bittiä (1) ei talleteta (implied bit) 1/8 = /16= mantissa eksponentti bitin mantissa! 11

12 Välimuisti muisti suoritin - CPU ALU CU rekisterit MMU (kirjastorutiinit) (käyttöjärjestelmä) Välimuisti (cache) ohjelma data väylä laiteohjaimet 12

13 Prosessin elinkaari ready-to-run valmis suoritukseen running suorituksessa luonti odottaa waiting poistettu tai tapettu 13

14 Prosessit jonoissa ja PCB R-to-R Running 0188 Disk waiting Timer 0555 Msg from Prosessin 9878 kuvaaja (PCB) Vuoronanto: valitse seuraava prosessi Ready-to-Run -jonosta ja siirrä se suoritukseen CPU:lle (kopioi tämän prosessin suorittimen tila suorittimelle) 14

15 Laiteohjain ja laiteajuri Muisti väylä suoritin käyttäjäprosessi laiteajuri (KJ prosessi) laite data c/s laiteohjain laiteohjainprosessi (device controller) laite Ks. Fig 6.4 [Stal99] 15

16 Levyjen käyttö Tiedosto koostuu useista lohkoista lohko per sektori Levyn hakemistossa on tieto kunkin tiedoston käyttämistä lohkoista luetaan lohkot annetussa järjestyksessä hakemisto alkio FileA (unix) indeksi lohko lohko lohko lohko lohko 16

17 Lausekielestä suoritukseen Käännös lausekielestä Linkitys muiden ja kirjastomoduulien kanssa Lataus muistiin prosessia varten Käännösyksikkö myprog.c Lausekielinen ohjelma tai moduuli osoitteet: symbolit Objektimoduuli myprog.obj Käännetty ohjelma (konekielellä) osoitteet: lineaariset (per moduuli) Ajomoduuli myprog.exe osoitteet: lineaariset, osa puutteellisia (?) Prosessi Suorituskelpoinen ohjelma osoitteet: lineaariset (virt. avar.?) prog.c prog.o math.l prog 17

18 Tulkinta ja emulointi Java virtuaalikone Java tulkki Pentium II suoritin data load iload i iload j iadd istore k Java suoritin ( esimerkiksi) natiiviympäristö k = i+j; Java ohjelma Java käännös iload i Java iload j byte-koodi iadd istore k data (JIT) käännös dl latausmoduuli Pentium II suoritin 18

19 19

20 Kurssien välisiä suhteita Tietokoneen toiminta (2ov) Käyttöjärjestelmät I (2ov) Rinnakkaisohjelmointi (2ov) Tietokoneen rakenne (2ov) Tietoliikenne I (2ov) 20

21 Asioiden välisiä suhteita (8) Käyttöjärjestelmät Tietokoneen toiminta Tietoliikenne Oikeellisuuden todentaminen Ohjelmointikielet Tietokoneen rakenne Samanaikaisuuden hallinta Laskennan teoria Kääntäjät 21

22 -- Jakson 12 ja koko kurssin loppu