Operating system Organization

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Published Date:11-07-2017
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Machine and Operating System Organization Raju Pandey pandeycs.ucdavis.edu Department of Computer Sciences University of California, Davisƒƒƒƒƒƒƒƒƒ Overview  • Organization of Computing Systems • Organization of operating systems Software Engineering view:  oHow is operating system software organized? oWhat are implications of specific organization oCase studies Abstraction view: oHow does end user see operating system? oHow does control transfer between applications and operating systems oDesign issues • Thanks: This lecture notes is based on  several OS books and other OS classes Silbersatz. Et. al Stallings Bicand Shaw G. Nutt Free BSD book Professor Felix Wu’s notes for ECS 150 U. Washington (451: Professors Gribble, Lazowska, Levy and Zahorjan) ECS 150 OS Organization, 2Part I: Computing System Organization Background materialƒƒƒƒƒƒ Basic Elements • Processor • Main Memory volatile referred to as real memory or  primary memory • I/O modules secondary memory devices communications equipment terminals • System bus communication among  processors, memory, and I/O  modules ECS 150 OS Organization, 4ƒƒƒƒƒƒ Processor Registers • User‐visible registers: enable programmer to minimize main‐memory  references by optimizing register use Data Address: Index, Segment pointer, Stack pointer • Control and status register: Used by processor to control operating of the  processor Used by privileged operating‐system routines to control the execution of  programs Program Counter (PC) o Contains the address of an instruction to be fetched Instruction Register (IR) o Contains the instruction most recently fetched Program Status Word (PSW) o Condition codes: Bits set by the processor hardware as a result of operations. For  instance,  Positive result,  Negative result, Zero, Overflow o Interrupt enable/disable o Supervisor/user mode ECS 150 OS Organization, 5ŽŽŽŽ ƒƒƒƒ Instruction Execution • Fetch: CPU fetches the instruction from memory Program counter (PC) holds address of the instruction to be fetched next Program counter is incremented after each fetch Fetched instruction is placed in the instruction register • Decode Categories of IR o Processor‐memory Transfer data between processor and memory o Processor‐I/O Data transferred to or from a peripheral device oData processing Arithmetic or logic operation on data o Control Alter sequence of execution • Execute: Processor executes each instruction ECS 150 OS Organization, 6ƒ Interrupts • Interrupt the normal sequencing of the processor • Most I/O devices are slower than the processor Processor must pause to wait for device ECS 150 OS Organization, 7Program Flow of Control Interrupts; Long I/O  Wait) (Without Interrupts) (Interrupts; Short I/O  Wait) ECS 150 OS Organization, 8ƒƒ Interrupts and processing of interrupts • Interrupts: Suspends the normal sequence of execution • Interrupt handler: respond to specific interrupts Program to service a particular I/O device Generally part of the operating system ECS 150 OS Organization, 9Interrupt Cycle • Processor checks for interrupts • If no interrupts fetch the next instruction for the current program • If an interrupt is pending, suspend execution of the current program, and execute  the interrupt‐handler routine ECS 150 OS Organization, 10Simple Interrupt Processing ECS 150 OS Organization, 11Changes in Memory and Registers for an Interrupt T-M T-M Interrupt occurs after instruction Return from Interrupt at location N ECS 150 OS Organization, 12ƒƒƒƒ Multiple Interrupts • What if interrupt occurs  while another interrupt  is being serviced? • One at a time: Disable others ‐ keep  them pending Finish Go back to service other  pending Problem: Priority, Time‐ critical processing? ECS 150 OS Organization, 13Multiple Interrupts • Enable higher priority  interrupts to go before  others ECS 150 OS Organization, 14ƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒ Memory Hierarchy • Three characteristics of memory Capacity Access Time Cost • Relationships: Faster access time, greater cost per  bit Greater capacity, smaller cost/bit Greater capacity, slower access speed • Memory hierarchy: Decreasing cost/bit Increasing capacity Increasing access time Decreasing frequency of access of the  memory by the processor o Locality of reference ECS 150 OS Organization, 15ƒƒ Cache Memory • Invisible to operating system • Increase the speed of memory • Processor speed is faster than memory speed • Exploit the principle of locality: Processor first checks cache If not found in cache, the block of memory containing the needed information is moved  to the cache and delivered to the processor ECS 150 OS Organization, 16Cache/Main‐Memory Structure ECS 150 OS Organization, 17Cache Read Operation ECS 150 OS Organization, 18ƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒ Cache Design Issues • Cache size Small caches have significant impact on performance • Block size The unit of data exchanged between cache and main memory Larger block size means more hits  But too large reduces chance of reuse. • Mapping function: Determines which cache location the block will occupy Two constraints: oWhen one block read in, another may need replaced oComplexity of mapping function increases circuitry costs for searching • Replacement algorithm Chooses which block to replace when a new block is to be loaded into the cache. Ideally replacing a block that isn’t likely to be needed again • Impossible to guarantee • Effective strategy is to replace a block that has been used less than others Least Recently Used (LRU) • Write policy: Dictates when the memory write operation takes place • Can occur every time the block is updated • Can occur when the block is replaced Minimize write operations Leave main memory in an obsolete state ECS 150 OS Organization, 19ƒƒƒƒ I/O Techniques • When the processor encounters an instruction relating to I/O,  it executes that instruction by issuing a command to the appropriate I/O  module. • Three techniques are possible for I/O operations: Programmed I/O Interrupt‐driven I/O Direct memory access (DMA) ECS 150 OS Organization, 20

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