System operacyjny jest programem, który działa jako pośrednik między użytkownikiem komputera a sprzętem komputerowym. Jego zadanie jest stworzenie środowiska, w którym użytkownik może wykonywać programy. Dzięki niemu system komputerowy ma być wygodny i efektywny.

Elementem systemu komputerowego są:

• sprzęt komputerowy

• system operacyjny

• programy użytkowe (kompilatory, edytory tekstu, inne programy użytkowe).

Historia systemów operacyjnych.

Na początku był sprzęt komputerowy:

• indywidualna, interakcyjna praca programisty

• operatorzy programów

• grupowanie zadań przez operatorów

• rezydentne monitory i karty sterujące języka opisu zadania (JCL)

• pośrednia praca urządzeń wejścia/wyjścia

• buforowanie

• spooting

• wieloprogramowość

• wielozadaniowość (podział czasu)

Klasyfikacja systemów operacyjnych

• systemy wsadowe

• systemy interakcyjne

• systemy z podziałem czasu

• systemy rozproszone

• systemy czasu rzeczywistego (real time system)

• systemy jednostanowiskowe

Elementy funkcyjne systemu operacyjnego:

Zarządzanie procesami

• tworzenie i usuwanie procesów

• wstrzymywanie i wznawianie procesów

• dostarczanie mechanizmów synchronizacji procesów

• dostarczanie mechanizmów komunikacji procesów

• dostarczanie mechanizmów obsługi blokad

Zarządzanie pamięcią operacyjną

• utrzymywanie ewidencji aktualnie zajętych części pamięci

• decydowanie o tym, które procesy mają być załadowane do zwolnionych obszarów

• przydzielanie i zwalnianie obszarów pamięci wg potrzeb

Zarządzanie pamięcią pomocniczą

• zarządzanie obszarami wolnymi

• przydzielanie pamięci

• planowanie przydziałów pamięci

Zarządzanie systemem wejścia/wyjścia

• system buforowo-notatnikowy

• interfejs do programów obsługi urządzeń

• programy obsługi urządzeń

Zarządzanie plikami

• tworzenie i dostarczanie (usuwanie) plików i katalogów

• dostarczanie elementarnych operacji manipulowania plikami i katalogami

• odwzorowywanie plików na obszary pamięci pomocniczej

• składowanie plików na trwałych nośnikach pamięci

System ochrony

Interpretator poleceń

• zabezpieczenie zasobów użytkowników przed niepowołanym dostępem

• zabezpieczenie przed wzajemnym działaniem programów na siebie Interpretator poleceń (DOS, UNIX)

• tekstowy

• graficzny

Funkcje systemowe tworzą interfejs między programem a systemem operacyjnym. Są wywołane w programie.

Przekazywanie parametrów odbywa się:

• w rejestrach jednostki centralnej (procesora)

• w bloku pamięci, którego adres przekazywany jest w rejestrze jednostki centralnej

• poprzez stos.

Klasy funkcji systemowych:

Nadzorowanie procesów

• zakończenie, zaniechanie

• załadowanie, wykonanie

• utworzenie procesu

• pobranie i określenie atrybutów procesu

• oczekiwanie czasowe

• oczekiwanie na zdarzenie i sygnalizacja zdarzenia

• przydział i zwolnienie pamięci.

Operacje na plikach

• utworzenie i usuwanie pliku

• otwarcie i zamknięcie pliku

• czytanie, pisanie i zmiana położenia

• pobranie i określenie atrybutów plików

Operacje na urządzeniach

• żądanie i zwolnienie urządzenia

• czytanie, pisanie i zmiana położenia

• pobranie i określenie atrybutów urządzenia

• logiczne przyłączenie i odłączenie urządzeń

Utrzymywanie informacji

• pobranie i określenie daty i czasu

• pobranie i określenie danych systemowych

• pobranie i określenie atrybutów procesu, pliku i urządzenia

Komunikacja

• utworzenie i usunięcie połączenia

• nadawanie i odbieranie komunikatów

• przekazywanie informacji o stanie

• przyłączenie i odłączanie urządzeń wymiennych.

Kategorie programów, systemów

• manipulowanie plikami

• informowanie o stanie systemu

• tworzenie i zmienianie zawartości plików

• kompilowanie programów

• komunikacja

• programy użytkowe (edytory tekstów, programy graficzne, systemy baz danych, arkusze kalkulacyjne, programy statystyczne, gry itp.)

Warstwa jest implementacją abstrakcyjnego obiektu - wyizolowanym zbiorem danych i operacji, które mogą tymi danymi manipulować.

Każda warstwa może używać tylko warstw niższych poziomów.

PROCES to wykonywany program. Zwykle potrzebuje pewnych zasobów, takich jak;

• czas procesora

• pamięć operacyjna

• pliki

• urządzenia we/wy

Sam program jest obiektem pasywnym. Proces jest obiektem aktywnym.

Blok kontrolny procesu

• stan procesu

• licznik rozkazów

• rejestry procesora

• informacje o planowaniu przydziału procesora (priorytet procesu, wskaźniki do kolejek i inne parametry planowania)

• informacje o zarządzaniu pamięcią (zawartość rejestrów granicznych lub tablic stron)

• informacje do rozliczeń (zużyty czas procesora i rzeczywisty, numery rachunków, ograniczenia)

• informacje o stanie we/wy (niezrealizowane zamówienia, wykaz przydzielonych urządzeń, lista otwartych plików itd.).

Dlaczego procesy współbieżne?

• podział zasobów fizycznych (ze względu na ich ograniczoność)

• podział zasobów logicznych (ze względu na konieczność wspólnego dostępu do niektórych zasobów)

• przyśpieszanie obliczeń (zadania w procesie można wykonywać równoległe na wielu procesorach)

• modularność

• wygoda (użytkownik może jednocześnie wykonywać kilka swoich zadań).

Proces może tworzyć nowe procesy za pomocą funkcji systemowej. Proces tworzący nazywamy procesem macierzystym. Procesy utworzone nazywamy procesami potomnymi.

Zasoby procesu potomnego mogą:

• pochodzić bezpośrednio od systemu operacyjnego

• być podzbiorem zasobów procesu macierzystego Po utworzeniu procesów potomnych, proces macierzysty może:

• kontynuować swoje działanie współbieżne ze swoimi potomkami

• oczekiwać, dopóki wszystkie jego procesy potomne nie zakończą pracy.

UNIX

• identyfikator procesu

• funkcja systemowa „fork”

• funkcja systemowa „execve” Proces kończy się gdy:

• poprosi system operacyjny o swoje usunięcie poprzez wywołanie odpowiedniej funkcji systemowej

• zostanie przerwany przez inny proces w wyniku wywołania odpowiedniej funkcji systemowej

Proces w momencie zakończenie może przekazać dane do procesu macierzystego (również przez wywołanie funkcji systemowej).

Zakończenie kaskadowe - wszystkie procesy potomne są kończone, jeżeli kończy działanie proces macierzysty.

UNIX

• funkcja zakończenia procesu „exit”

• funkcja oczekiwania na zdarzenie „wait”

• zasoby są pobierane z systemu operacyjnego.

Proces niezależny nie może wpływać na zachowanie innych procesów, ani inne procesy nie mogą oddziaływać na niego.

Właściwości:

• na jego stan nie wpływa w żaden sposób inny proces

• wynik jego pracy zależy wyłącznie od stanu wejściowego

• jego działanie jest powielarne (taki sam wynik przez takich samych danych wejściowych.)

• jego wykonanie może być wstrzymywane i wznawiane bez żadnych szkodliwych skutków.

Proces, który nie dzieli żadnych danych z żadnym innym procesem jest w istocie procesem niezależnym.

Proces współdziałający może wpływać na zachowanie innych procesów lub sam może ulegać wpływom innych procesów.

Właściwości:

• jego stan jest dzielony wraz z innymi procesami

• nie da się określić z góry wyniku jego działania, gdyż zależy on od względnej kolejności wykonywania procesu

• wynik działania może nie być zawsze taki sam przy takich samych danych wejściowych

Dowolny proces, który dzieli jakiejkolwiek dane z innymi procesami jest procesem współdziałającym.

Kryteria oceny algorytmów planowania

• wykorzystanie procesora - powinno być jak największe

• przepustowość - mierzona ilością procesów realizowanych w jednostce czasu

• czas cyklu przetwarzania - mierzony od momentu nadejścia procesu do systemu do momentu zakończenia procesu

• czas oczekiwania - czas spędzany w kolejce procesów gotowych

• czas odpowiedzi - czas między zgłoszeniem zamówienia a pojawieniem się odpowiedzi.

W systemach interakcyjnych może być pożądane minimalizowanie wariancji czasu odpowiedzi.

Metoda FCFS - pierwszy nadszedł, pierwszy obsłużony (First Come, First Served)

Metoda SJF - najpierw zadania najkrótsze (Shorted Job First). Pod uwagę brana jest długość najbliższej fazy procesora, oszacowana zwykle na podstawie faz poprzednich

Metoda priorytetowa - każdemu procesowi przypisuje się priorytet. Wybieranie wg wartości priorytetu.

Metoda rotacyjna - (Round Robin) cykliczny przydział określonego kwantu czasu.

Metody wielopoziomowe - kolejka procesów gotowych dzielona jest na kilka kolejek (np. pierwszo- i drugoplanowe). Każda kolejka ma swój algorytm planowania.

Planowanie międzykolejkowe ma zwykle charakter priorytetowy.

Stronicowanie jest również metodą walki z fragmentacją zewnętrzną. Dopuszcza ona nieciągłość obszaru pamięci procesów.

Rozmiar strony jest określany przez sprzęt.

Stronicowanie eliminuje fragmentację zewnętrzną. Natomiast pozostaje fragmentacja wewnętrzna. Im mniejsze strony tym będzie ona mniejsza. Zwiększa się jednak koszt związany z wpisem to tablicy stron.

Tablicę stron można zaimplementować jako zbiór rejestrów specjalnych (zwykle w ograniczonej treści). Duże tablice stron organizuje się w pamięci operacyjnej. Zwiększa to ilość kontaktów z pamięcią i opóźnia proces.....???

Współczynnik trafień - jest to procentowa ilość numerów stron odnajdywanych w rejestrach asocjacyjnych.

Efektywny czas dostępu:

T_e = w(T_a+T_d ) + (1-w)(2T_d+T_a)

w - współczynnik trafień

T_a - czas przeglądanie pamięci asocjacyjnej

T_d - czas dostępu do pamięci głównej

Współczynnik trafień zależy od ilości rejestrów. Przy 16÷5/2 rejestrach można osiągnąć współczynnik 80+90%.

Stronicowanie umożliwia dzielenie kodu przez kilka procesów. Musi to być tzw. kod czysty - wznawialny, czyli taki, który siebie nie modyfikuje. Tablicowanie stron poszczególnych procesów będą odwzorowywać adresy na tą samą ramkę (stronę fizyczną).

Ochrona odbywa się zwykle metodą klucza i zamka oraz przy pomocy odpowiednich bitów ochrony przypisanych do każdej ramki.

Pamięć wirtualna - jest techniką, która umożliwia wykonanie procesu bez potrzeby przetrzymywania go w całości w pamięci operacyjnej. Główne zalety:

• programy mogą być większe niż wielkość pamięci fizycznej

• programy mogą zajmować mniej miejsca, więc zmieści się ich więcej

• zmniejsza się liczba operacji we/wy koniecznych do załadowania lub wymiany procesów.

Pamięć wirtualna może być zrealizowana w systemie segmentacji, stronicowanej segmentacji. Najczęściej wykorzystuje się stronicowanie na żądanie.

Procesy rezydują w pamięci pomocniczej. Ten, który ma być wykonywany zostaje wprowadzony do pamięci głównej, jednak nie cały, lecz niezbędne strony.

Procedura wymiany będzie operować wszystkimi, całymi procesami. Procedura zmieniania stron („pager”) zajmuje się poszczególnymi stronami procesu.

Każda pozycja w tablicy stron jest uzupełniana o bit poprawności odniesienia, określający czy strona znajduje się w pamięci głównej czy na dysku. Wykonanie procesu przebiega normalnie (tak jakby cały znajdował się w PAO) dopóki działa na stronach znajdujących się w PAO. Jeżeli proces próbuje użyć stronę nieobecną to musi ją ściągnąć do pamięci. Jeżeli zostanie ściągnięta zła strona to powstaje błąd strony i należy go skorygować:

1. Sprawdzić tablicę stron procesu aby określić, czy odwołanie jest dozwolone.

2. Jeżeli odwołanie jest niedozwolone to następuje koniec procesu. W przeciwnym przypadku należy sprawdzić stronę.

3. Znaleźć wolną ramkę (stronę fizyczną)

4. Zainicjować czytanie z dysku potrzebnej strony do ramki

5. Zmodyfikować tablicę stron procesu.

W przypadku błędu strony występuje następujący ciąg zdarzeń:

1. Pułapka w systemie operacyjnym

2. Przechowywanie rejestrów użytkownika i stanu procesu

3. Rozpoznanie, że przerwanie było spowodowane błędem strony

4. Sprawdzenie dopuszczalności odwołania i określenie położenia strony na dysku

5. Wydanie polecenia czytania do ramki:

• czekanie w kolejce aż zostanie obsłużone zamówienie czytania

• czekanie na odszukania danych

• rozpoczęcie przesyłania do ramki

• Przydzielenie procesora innemu procesowi

• Odebranie sygnału o zakończeniu operacji czytania z dysku

• Przechowanie rejestrów i stanu procesu uaktywnionego w p.6.

• Rozpoznanie, czy przetrwanie pochodziło z dysku

• Skorygowanie tablicy stron i innych struktur w celu odnotowania obecności stron

• Czekanie na powtórne przydzielenie procesora

• Odtworzenie rejestrów, stanu procesu i nowej tablicy stron oraz wznowienie procesu.

Modyfikacja procedury obsługi błędu strony.

1. Odnalezienie lokalizacji potrzebnej strony na dysku

2. Odnalezienie wolnej ramki:

• jeżeli istnieje wolna ramka, to zostanie użyta

• jeżeli nie istnieje, to trzeba wykonać algorytm zastępowania w celu wytypowania ramki-ofiary

• stronę-ofiarę zapisuje się na dysku (ze zmianą tablic stron i ramek)

• Wczytanie do zwolnionej ramki potrzebnej strony i zmiana tablic stron i ramek

• Wznowienie procesu.

Algorytm zastępowania stron

Algorytm FIFO - z każdą stroną jest skojarzony jej czas załadowania do pamięci. Do usunięcia wybiera się stronę „najstarszą”

Anomalia Belady'ego- czasami współczynnik błędu strony może wzrastać ze wzrostem ilości wolnych ramek

Algorytm optymalny - zastąpienie strony, która najdłużej nie będzie używana. Wymaga wiedzy o przyszłej postaci ciągu odwołań. Używany jest wobec tego w studiach porównawczych przy ocenie innych algorytmów. Nie występuje anomalia jw.

Algorytm LRU - zastępowanie stan najdłuższej nieużywanej (least recently used). Jest on postępowanie takie jak w algorytmie optymalnym, ale wstecz a nie w przód. Wymaga wspomagania sprzętowego.

Zarządzanie pamięcią pomocniczą

Konieczność wykorzystywania pamięci pomocniczej wynika z:

• ograniczenie wielkości pamięci głównej

• ulotność pamięci głównej

Początkowo były wykorzystywane taśmy magnetyczne (trwałe, pojemne, powolne, dostęp tylko sekwencyjny). Budowa pamięci dyskowych, sposób zapisu, organizacja zostały omówione na przedmiocie „Urządzenie zewnętrzne”. Obszar pamięci dyskowej jest również ograniczony, więc niezbędnie jest racjonalne gospodarowanie tym obszarem. System utrzymuje listę wolnych obszarów. Są tam odnotowane wszystkie bloki nie przydzielone do żadnego pliku. Przy załadowaniu pliku przydzielony mu obszar jest usuwany z listy, a przy kasowaniu pliku, dodawany do listy. Lista wolnych obszarów może być zaimplementowane poprzez:

• mapę bitową

• listę powiązań

• grupowanie

• zliczanie




Metody przydziału miejsca na dysku

Przydział ciągły. Każdy plik zajmuje ciąg kolejnych bloków na dysku. Przydział jest określony za pomocą adresu dyskowego i ilości bloków.

Przydział listowy. Każdy plik stanowi listę bloków dyskowych znajdujących się w dowolnym miejscu na dysku. Katalog zawiera wskaźnik do pierwszego i ostatniego bloku.

Przydział indeksowy, Skupienie wskaźników w jednym miejscu ( w bloku indeksowym). Każdy plik ma blok indeksowy będący tablicą adresów dyskowych. Katalog zawiera adres bloku indeksowego.

FAT (Tablica przydziału plików)




Proces ładowanie systemu













BOOTING

The start-up program has

to find a boot sector at a disk

DOS, Windows 95, NT or

another operating system is

load form the disk

Plan Sesji Egzaminacyjnej

Przedmiot	Forma	Grupa	Data	Godzina	Sala
Algorytmy	Egzamin-pisemny	150X 150Y	28.05.2001	10.00-12.00	A-4 A-9
Grafika komputerowa	Egzamin-ustny	150	30.05.2001	10.00-16.00	B-13
Podstawy informatyki	Egzamin-pisemny	150	31.05.2001	12.00-14.00	C-113

Praca pochodzi z serwisu www.e-sciagi.pl

POST

(Power On Self Test)

Test programs

ROM (Ready Only Memory)

Programs on chips at the motherboard

Setup data from CMOS

BIOS

(Basic Input Output System)

System software copied to RAM

ROM chips with BIOS programs

BIOS copied from adapters

---