Architektury Komputerów i Systemy Operacyjne Podstawowe definicje, system operacyjny i maszyna wirtualna, systemy wbudowane

Piotr Szpryngier

Architektury Komputerów i Systemy

Operacyjne

Podstawowe definicje,

system operacyjny i maszyna wirtualna, systemy wbudowane

Piotr Szpryngier

piotrs@eti.pg.gda.pl

Piotr Szpryngier

Plan i literatura

•

1. Klasyfikacja modeli przetwarzania

•

2. Systemy operacyjne – zadania i funkcje.

•

3. Proces, zarządzanie procesami, usługi SO.

•

4. Mechanizmy koordynacji procesów.

•

5. Charakterystyka systemów czasu rzeczywistego i systemów

wbudowanych.

•

6. Jądro systemu real-time, opis procesu, funkcje jądra.

•

7. Przykład systemu czasu rzeczywistego – węzeł radiowej sieci

teleinformatycznej.

•

Silberschatz A., Peterson J.L., Galvin P.B., Podstawy systemów
operacyjnych, WNT 1998.

•

Ben-Ari M., Podstawy programowania wspó

łbieżnego i rozproszonego, WNT

1996.

Piotr Szpryngier

Podstawowe pojęcia z architektury systemów

komputerowych



program = algorytm + dane



przetwarzanie = użytkownik + komputer + program



modele przetwarzania = przetwarzanie + zarządzanie +

komunikacja



organizacja = <język, poziom, maszyna wirtualna>



architektura = implementacja modelu przetwarzania:

konfiguracja sprzętu i oprogramowania



model przetwarzania – sposób wykonywania zadań i usług w

systemie



architektura systemu – sposób implementacji modelu

przetwarzania



konfiguracja systemu – własności sprzętu i oprogramowania

Piotr Szpryngier

Typy architektur



Układu,



Zespołu układów, np. procesora,



Komputera, stacji roboczej,



Grupy komputerów – klaster dla przetwarzania równoległego lub

gridowego, serwery sieciowe, serwery aplikacji dla przetwarzania

rozproszonego, rozproszone usługi,



Internet jako środowisko rozproszonych usług i przetwarzania

zespołowego. Usługi: bezpośrednie, zdalne, grupowe.



Aplikacja rozproszona – taka, której wymagania mogą być spełnione

przez wiele fizycznych komputerów, dane mogą być przechowywane

w wielu lokalizacjach, a funkcjonalność nie jest w żaden sposób

ograniczona przez topologie implementacji.

Piotr Szpryngier

Typy przetwarzania



Obecnie obok klasycznego modelu MCC (Machine Centric Computing)

wyróżnia się 2 inne modele: HCC (Human Centric Computing) i SCC (Service

Centric Computing).



MCC:



Scentralizowane (pojedynczy komputer osobisty, mainframe i przetwarzanie
wsadowe)



Współbieżne (Wiele procesów na jednym komputerze, które mogą ze sobą
współpracować, a także rywalizować); Dwa rodzaje podziału czasu procesora
(może być więcej procesorów, ale jeden wspólny SO):

•

ze stałym podziałem czasu lub

•

sterowane priorytetami procesów i zdarzeniami - programy procesów wykonują się
„równolegle”, współdzieląc zasoby (procesor, pamięć, komunikacja).



Wieloprogramowe (

kilka programów wykonywanych sekwencyjne naprzemiennie

na tym samym komputerze. O przekazaniu całości zasobów komputera innemu
programowi decyduje aktualnie wykonywany program)

Piotr Szpryngier

Typy przetwarzania



Wieloprocesorowe (ze wspólną pamięcią, z pamięcia rozproszoną)



Rozproszone:



RMI, RPC



Message passing, PVM



CORBA



Przetwarzanie agentowe



Przetwarzanie gridowe



HCC (przetwarzanie zespołowe, częściowo usługowe)



SCC (Web Services, Cloud Computing) – rozproszone! Wyróżnia się trzy typy

przetwarzania w chmurze (Cloud Computing – nowszy typ SOA):



SaaS (Software as a Service) – usługi w postaci narzędzi

programistycznych są dostępne na żądanie klienta,



PaaS (Platform as a Service) – usługi w postaci narzędzi do budowy

własnych aplikacji i platformy do ich wdrożenia,



IaaS (Infrastructure as a Service) – usługi w postaci udostępnienia

maszyn wirtualnych z systemami operacyjnymi

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie rozproszone



Zalety:



możliwość uzyskania większej wydajności, poprzez dodanie

nowych węzłów – elastyczność i skalowalność;



komunikowanie się ze sobą procesów zapewnia

współdzielenie pewnych, zgromadzonych przez siebie,

informacji, dzięki zlokalizowaniu i zarządzaniu w jednym

miejscu uzyskujemy logiczną spójność;



w przypadku awarii jednego z procesów, bądź węzłów,

pozostała część systemu nadal pracuje, a co najważniejsze,

istnieje możliwość odzyskania utraconych danych, np.

poprzez mechanizmy replikacji, checkpointing, itp.

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie rozproszone



Wady:



aplikacje rozproszone mogą być nieco trudniejsze do

zaprojektowania i implementacji, gdyż są one zazwyczaj

bardziej złożone.



do prawidłowej współpracy procesów, należy zapewnić im

odpowiednie niezawodne mechanizmy komunikacji. Z

samym procesem komunikacji oraz wydajnością wiążą się

dwie podstawowe metryki: czasy opóźnień oraz

przepustowość.



synchronizacja jest wymagana w przypadku, kiedy pewien

proces może rozpocząć swoje działanie po zakończeniu

otrzymania danych od innego procesu.

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie rozproszone

RPC (remote procedure call) jest wywołaniem funkcji, która rezyduje w

odległym systemie. Wygląda jak zwykłe wywołanie funkcji i zapewnia:



Niezależność lokalizacji (transparency),



Wygodę użytkowania (zgodność ze standardami programowania).



message passing -

za pomocą przesyłanych komunikatów,

Ale mamy dodatkowe kłopoty:



Jak aplikacja dowie się, że wywoływana funkcja jest gdzieś indziej?

Identyfikacja lokalizacji – wymaga znajomości położenia serwera;



Wzrost podatności na awarie, gdy zdalna funkcja nie jest dostępna,



Niemożność zrównoważenia obciążeń



Brak wyróżnienia ważności – najważniejsi klienci mogą zostać pominięci

w obsłudze – straty biznesowe



Reakcja na chwilowe silne przeciążenia – wymaga dodatkowych

zabiegów

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie rozproszone



Najprostszy model przetwarzania rozproszonego – klient-serwer



W Internecie: klient to przeglądarka, a serwer to najczęściej

serwer www wykonujący żądania klienta;



Po stronie serwera są wykonywane nast. aplikacje:



Moduły kodu HTML



Skrypty (CGI, PHP, .., itp.)



Serwlety (skompilowane aplikacje Javy)



Po stronie klienta (przeglądarki) są wykonywane:



Aplety (aplikacje w języku Java) w tzw. piaskownicy –

środowisko Javy



Skrypty umieszczone w ciele dokumentu HTML

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie rozproszone

Wykonywanepostronieserwera

ang.server-side scripting

CGI (Perl,C,

Shell... etc.)

Moduły

serwera HTTP

ieszczonewciele

dokum

entu HTML

(PHP, ASP-VBS)

Jaktradycyjne CGI

od_perl/Apache)

Aplety

(Java,Activex,

Flash)

Skryptyum

ieszczonew

cieledokum

entu HTML

(JavaScript)

Wykonywanepostronieklienta

ang.client-side scripting

Servlety

(Java)

Aplikacje W

plikacje W

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie rozproszone



Message passing jest jednym z najstarszych paradygmatów dla

programowania równoległego, w szczególności dla systemów z

rozproszoną pamięcią, gdzie komunikacja odbywa się wyłącznie za

pomocą przesyłanych komunikatów. Dwie podstawowe metody:



wysyłanie i



odbiór (

send

receive



Problemy:



buforowanie, blokowanie, niezawodność komunikacji,



niskopoziomowe podejście: zadania do wykonania oraz dane

wejściowe muszą zostać w sposób jawny rozdzielone na procesy



ustalone adresy – transfer via gniazdka



zagrożenie powstawania zakleszczeń w przypadku komunikacji

blokującej

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie rozproszone - gridowe



Rozproszone maszyny lub klastry tworzą tzw. siatkę - traktowaną

jako pojedyncze, ujednolicone źródło obliczeniowe - zintegrowane

środowisko obliczeniowe. Broker – pośrednik – daje dostęp do

zasobów, rozwiązuje konflikty, np. poprzez kolejkowanie.



Grid udostępnia usługi:



Obliczeniowe



Działanie na źródłach danych (bezpieczny dostęp, zarządzanie

rozproszonymi danymi)



Informacyjne – wydobywanie wiedzy, eksploracja danych,

prezentacja



Cechy: Zdolność równoległych obliczeń, wirtualna współpraca przy

użyciu wirtualnych zasobów, dostęp do dodatkowych źródeł danych i

usług, równoważenie zasobów, niezawodność, zarządzanie.

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie gridowe



Różnorodność obszarów i autonomia

– zasoby siatki są

geograficznie

rozproszone

pomiędzy

różnymi

obszarami

zastosowań i należą do różnych organizacji.



Heterogeniczność

– Grid łączy różnorodne zasoby, które mogą

obejmować szeroki zakres technologii.



Skalowalność

– mimo, iż Grid nie wpływa bezpośrednio na wzrost

skalowalności, to w niektórych przypadkach (przy bardzo dużej

ilości zintegrowanych zasobów) pojawia się problem obniżenia

wydajności ze wzrostem wielkości siatki Grid.



Dynamiczność i zdolność adaptacyjna

– w modelu Grid awaria jest

raczej regułą, niż wyjątkiem. W przypadku wielu zasobów siatki,

prawdopodobieństwo wystąpienia awarii w jednym z nich jest

dosyć wysokie. Aplikacje oraz menadżerzy zasobów muszą być

przygotowani do wystąpienia takich awarii i w sposób dynamiczny

przydzielać, bądź zwalniać kolejne zasoby siatki.

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie agentowe



Dokładny opis agenta stanowi właśnie jego implementacja,

która jest zależna od platformy, na której będzie pracował 



Mamy agenty mobilne, agenty słabe i silne.



Mają cztery zasadnicze cechy, gdzie każda zależna jest w

mniejszym lub większym stopniu od wykonywanego zadania:



Autonomiczność

– posiadają zdolność niezależnego

działania, aby osiągnąć zamierzone cele.



Proaktywne

– posiadają zdolność przejęcia inicjatywy, aby

osiągnąć zamierzone cele.



Zdolność współpracy

– mogą współpracować ze sobą.



Zdolność oddziaływania

– mogą reagować na zmiany w

środowisku ich działania.

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie agentowe



dwa typy oddziaływania agentów:



obserwacja, zmieniająca informacje posiadane przez agenta

na temat środowiska, nie powodując jednak zmian stanu

tego środowiska.



przeprowadzanie działań, które mogą już zmieniać globalny

stan

środowiska,

ale

nie

zmieniają

informacji

przechowywanych przez agenta.



dwa typy komunikacji z innymi agentami:



komunikacja wychodząca, czyli zdolność do nawiązania

współpracy z drugim agentem oraz



komunikacja przychodząca, czyli zdolność odbierania
informacji od innego agenta.

Piotr Szpryngier

Przetwarzanie agentowe



Modele współpracy agentów:



Środowisko i modele agenta

– każdy agent może tworzyć i

przechowywać informacje o środowisku (modelu) zewnętrznym,

bazując na obserwacji tego środowiska, informacji posiadanych

przez innych agentów jak i na własnej podstawowej wiedzy na

temat danego środowiska.



Model własny i historia

– niekiedy agenty mogą tworzyć i

przechowywać informacje na temat swoich własnych cech

charakterystycznych, stanu wewnętrznego oraz zachowania.



Cele i plany

– agent prezentuje, generuje i używa jawnych celów i

jego własnych planów działania.



Koncepcja grupy

– poza koncepcjami indywidualnymi, agenty

często są w stanie tworzyć pewne grupy, w których istnieje

możliwość wzajemnej współpracy.

Piotr Szpryngier

Rozproszone aplikacje wielowarstwowe



Struktura:



Pierwszą warstwę stanowi warstwa prezentacji (GUI). Jest ona

odpowiedzialna za zbieranie informacji od użytkownika, przesyłanie ich

do warstwy logiki biznesowej oraz sytuacji odwrotnej, czyli odbieranie

wyników i prezentacja ich użytkownikowi.



Drugą warstwą jest warstwa logiki biznesowej, która definiuje zbiór

usług, które udostępniane są przez serwer. Jest to niewątpliwie

warstwa najtrudniejsza do zaimplementowania, ze względu na jej dużą

złożoność i nieraz brak odpowiednich narzędzi do jej właściwego

zaprojektowania. W warstwie tej należy zadbać o takie kwestie jak:

skalowalność, współbieżność oraz bezpieczeństwo.



Ostatnią warstwą jest warstwa danych. Odpowiedzialna jest za

przechowywanie, dostarczanie, utrzymywanie oraz integrację danych.



Cechy: skalowalność, łatwość rozbudowy

Piotr Szpryngier

Rozproszone aplikacje wielowarstwowe



W aplikacjach webowych klient oczekuje uniwersalnego

interfejsu, którym jest przeglądarka sieciowa. Warstwa

biznesowa:

przyjmuje żądania klienta,

odbiera informacje pochodzące z wewnętrznych systemów,

przetwarza dane i

przekazuje wyniki z powrotem do klienta.

Cechy warstwy biznesowej:

Serwery aplikacji mieszczące się w tej warstwie, mają za zadanie

obsługiwanie przychodzących żądań klientów jak i łączenie się z

innymi systemami wewnętrznymi, np. serwerami pocztowymi

(MS Exchange), baz danych (np. MySQL, Oracle), itp.

Piotr Szpryngier

Rozproszone aplikacje wielowarstwowe



Mamy trzy rodzaje ziaren EJB:

Session Beans

(stanowe i bezstanowe) – utrzymują czasowe połączenie z

klientem. Po zakończeniu procesu wykonywania przez klienta, zarówno ziarno

sesji jak i dane zostają utracone. Ziarna sesyjne:

Stanowe – (ang. Stateful) –

podczas trwania sesji, ziarna te zachowują

swój stan, który może zmieniać się z kolejnymi wywołaniami metod obiektu.

Bezstanowe – (ang. Stateless)

– nie przechowują one stanu obiektu po

zakończeniu obsługi żądania. Ziarna te mogą być wykorzystywane przez

wiele aplikacji, zwiększając tym samy przepustowość i podnosząc

wydajność.

Entity Beans

– reprezentują dane w postaci rekordu z bazy danych, które

utrzymywane są w sposób trwały. Jeżeli klient przerwie wykonywanie lub

serwer zostanie wyłączony, odpowiednie usługi zapewniają wcześniejsze

zachowanie danych.

Message-driven Bean

– łączą cechy ziaren sesji oraz usług JMS (Java Message

Service), pozwalając komponentom biznesowym na asynchroniczne odbieranie

komunikatów JMS.

Piotr Szpryngier

Rozproszone aplikacje – Web Services



Dzięki XML powstało wiele innych standardów, z których

najważniejsze dla omawianych usług internetowych to: SOAP

(ang. Simple Object Access Protocol - obecnie nie zaleca się tak

rozwijać tego skrótu, gdyż ma on teraz o wiele szersze

zastosowanie), WSDL (ang. Web Services Description

Language) i UDDI (ang. Universal Description, Discovery, and

Integration). Przewagą standardów opartych na XML jest ich

prostota oraz naturalna niezależność sprzętowo-platformowa.



Usługi sieciowe (Web Services) można przedstawić jako

technologię która umożliwia szeroko pojętym użytkownikom

komunikację i współpracę w oparciu o istniejącą infrastrukturę

Internetu głównie w paradygmacie RPC.



Architektura SOA (ang. Service Oriented Architecture) opiera się

na znanych standardach (TCP/IP, HTTP, XML) i nowszych dot.

usług sieciowych (WSDL, SOAP, UDDI).

Piotr Szpryngier

Web Services



Funkcjonowanie

usług sieciowych opiera się na trzech głównych

składnikach:



SOAP - prosty

protokół komunikacji,



WSDL - interfejs

usługi zapisany na tyle szczegółowo, aby użytkownik na

jego podstawie

mógł stworzyć aplikację kliencką,



UDDI - mechanizm rejestracji

umożliwiający opisanie usługi, przedstawienie

tego opisu aplikacjom i odnalezienie poszukiwanej

usługi użytkownikowi.



Język XML (ang. eXtensible Markup Language) był tworzony z myślą o

definiowaniu nowych formatów dokumentów dla WWW.



WSDL (Web Services Description Languade)- interfejs usługi zapisany na

tyle szczegółowo, aby użytkownik na jego podstawie mógł stworzyć

aplikację kliencką.



SOAP to protokół zapewniający standardowy mechanizm opakowywania

danych w wiadomości.



UDDI (ang. Universal Discovery Description and Integration) to forma
ks

iążki telefonicznej dla usług internetowych.

Piotr Szpryngier

Platformy i narzędzia informatyczne

3 grupy narzędzi programistycznych

platformy

programistyczne

wspomaganie

zarz

ądzania

zapewnianie

jako

ści

aplikacje

żytkowe

systemy

operacyjne

testowanie i

uruchamianie

narz

ędzia

wspomagaj

ące

projektowanie

narz

ędzia

konfigurowania i

inicjalizowania

pakiety

pomiarowe

wytwarzanie

złożonych
systemów

informatycznych

pakiety

wspomagania

administrowania

zintegrowane

systemy oceny

Piotr Szpryngier

Systemy operacyjne - definicje



definicja SO (bottom-up): program zarządzający zasobami systemu
komputerowego.



definicja SO (top-down): maszyna wirtualna lub wygodny interfejs
użytkownika.



definicja komercyjna: Podstawowe oprogramowanie dostarczane

przez producenta.



cel działania SO: efektywne wykorzystanie zasobów systemu.



Zasób systemowy to: pamięć, czas procesora, kontrola medium

komunikacyjnego logicznego/fizycznego.



Proces = (program, procesor, pamięć) – każde uruchomione zadanie



Proces wykonuje się niezależnie od innych programów -procesów.

Ubiega się i współzawodniczy o zasoby systemu. Korzysta z funkcji

jądra SO.



terminologia: jednocześnie (w tej samej chwili) a równocześnie (w tym

samym przedziale czasu).

Piotr Szpryngier

System operacyjny - definicje



Dalsze definicje:



Zorganizowany zespół programów (systemów), które pełnią rolę

pośredniczącą między sprzętem a użytkownikami, dostarczającą

użytkownikom zestaw środków ułatwiających projektowanie,

kodowanie, uruchamianie i eksploatację programów oraz w tym

samym czasie sterują przydziałem zasobów w celu zapewnienia

efektywnego działania.



definicja komercyjna: Podstawowe oprogramowanie

dostarczane przez producenta.



Inne określenie: Oprogramowanie jądra (zawsze aktywne)

Piotr Szpryngier

System operacyjny – model warstwowy - cechy



Powszechnie stosowanym modelem statycznym systemu operacyjnego jest

struktura warstwowa, w której warstwy niższe oferują pewne funkcje i

usługi warstwom niższym.



Najniższą warstwę SO stanowią programy niskiego poziomu obsługi sprzętu

(sterowniki), często wbudowane do pamięci stałej (BIOS).



Jądro (ang. kernel), składające się ze zbioru funkcji i tablic systemowych.

Głównym zadaniem jądra jest dostarczenie narzędzi do zarządzania procesami,

zarządzania pamięcią i zarządzania systemem plików.



Kolejna warstwa to narzędzia do odwoływania się do systemu operacyjnego z

wnętrza programów, a więc tzw. interfejs programów użytkowych (ang.

Application Program Interface - API). Korzystają z niego również programy

systemowe, jak np. programy powłok.



Pomiędzy warstwą API i użytkownikiem ulokowano w modelu warstwowym

w/w programy powłok, programy poleceń systemowych i programy

użytkowe jako narzędzia bezpośrednio wykorzystywane przez użytkownika.

W tej warstwie pracują też tzw. procesy jądra (SO).

Piotr Szpryngier

System operacyjny – model warstwowy - uwagi



Z modelem warstwowym związana jest koncepcja hierarchii

maszyn wirtualnych, tworzących abstrakcyjny ciąg modeli

systemów komputerowych. Każda kolejna warstwa wzbogaca

sprzęt o nowe własności, dając ciekawe implikacje w przypadku

systemów wielozadaniowych (różne maszyny dla różnych

zadań).



Ze względu na potrzebę przenośności oprogramowania

użytkowego istotne jest korzystanie z mechanizmów

systemowych na określonym poziomie, np. wyłącznie za

pośrednictwem odwołań API (w wielu systemach operacyjnych,

w tym w UNIXie, jest to jedyna możliwość uzyskania usług od

procesów systemowych).

Piotr Szpryngier

Zadania systemu operacyjnego



Zarządzanie procesami (własnymi i użytkowników),



Zarządzanie pamięcią operacyjną,



Zarządzanie pamięcią pomocniczą (dyskową, taśmową, FLASH,

CD, itp..),



Zarządzanie plikami,



Zarządzanie systemem wejścia/wyjścia,



Zarządzanie systemem ochrony (autoryzacja, autentyczność i

wiarygodność, kontrola dostępu),



Zarządzanie komunikacją sieciową (obsługa),



System interpretacji poleceń (shell – powłoka).

UWAGA: zadania są wykonywane permanentnie przez cały czas

życia SO

Piotr Szpryngier

Usługi systemu operacyjnego



Wykonanie programu użytkownika,



Operacje wejścia/wyjścia,



Operacje na plikach i systemach plików,



Komunikacja sieciowa i międzyprocesowa,



Wykrywanie błędów – diagnostyka systemowa,



Przydział zasobów,



Rozliczanie (auditing),



Ochrona i kontrola dostępu (authorisation&AC),



Wiarygodna komunikacja (authentication).



UWAGA: usługi (funkcje) są wykonywane przez SO na życzenie

użytkownika lub aplikacji (procesu) wykonywanego w jego

imieniu.

Piotr Szpryngier

Opis procesu w systemie operacyjnym



Każdy uruchomiony proces zajmuje jedną pozycję (strukturę-tablicę) w

tablicy opisu procesów. Możliwe są różne podejścia:



Tablica tablic w obszarze zarządzanym przez SO (pamięć ciągła,

niestronicowana),



Mieszane - tablica opisu i dodatkowy opis wraz ze stosem i stertą połączone z

kodem programu.



Każdy proces ma typowe atrybuty takie jak: identyfikator (numer), stan,

priorytet, id właściciela, miejsce w kolejce (kolejkach), ograniczenia

pamięci. Mogą występować inne argumenty takie jak np. id procesu-

rodzica, wykaz zajętych zasobów (semafory, muteksy, strefy krytyczne,

pliki, itp.)



Podstawowe stany procesu to: gotowy (czeka na dostęp do procesora),

aktywny (ma właśnie procesor i działa), czekający (na jakieś zdarzenie,

np. zwolnienie muteksu), zawieszony (czeka na upłynięcie jakiegoś

wskazanego czasu). Tych stanów może być więcej.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym

Utworzenie procesu (przydzielenie pamięci, pobranie chociaż

jednego bloku kodu programu, wpis do tablicy opisu procesów,

umieszczenie w kolejce oczekiwania na procesor - planowanie) i

zakończenie procesu (zabranie zasobów, usunięcie wpisu w tablicy

opisu, przekazanie kodu diagnostycznego procesowi-rodzicowi);

Zatrzymanie procesu (zmiana stanu procesu, wpisanie do którejś z

kolejek – co najmniej jednej, wznowienie innego zadania) i

wznowienie działania procesu (zmiana stanu procesu, wypisanie z

kolejek – co najmniej jednej – i wpisanie do kolejki zadań gotowych -

planowanie);

Dostarczanie mechanizmów synchronizacji i komunikacji procesów;

Dostarczanie mechanizmów obsługi blokad i przeciwdziałanie nim.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym



Mamy procesy samodzielne (niezależne) i współpracujące.



Działanie każdego procesu można powielić, a także można

wstrzymywać i wznawiać.



Niezależne procesy nie mogą wpływać bezpośrednio na

działanie innych procesów, ani nie podlegają wpływom innych

procesów. Działanie procesu niezależnego jest zdeterminowane

jedynie wartością parametrów i danych wejściowych.



Jedynym sposobem organizacji współpracy procesów zależnych

od siebie to protokoły wzajemnej komunikacji bądź

synchronizacji. Jego stan jest dzielony z innymi procesami. Nie

można przewidzieć wyniku działania!!! (bo może zależeć od

względnej kolejności wykonania i efektu działania innych

procesów).

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym –

planowanie zadań



Cel: optymalizacja wykorzystania zasobów poprzez wyrównanie
ró

żnic w prędkości działania.



Sposó

b realizacji: organizacja kolejek zadań i zarządzanie nimi.



Kolejkami zarządza planista (scheduler) długoterminowy (nie
zawsze istnieje) i krótkoterminowy. Kolejki:



Zada

ń aktywnych czekających na procesor,



Dost

ępu do urządzeń we/wy (inna dla każdego urządzenia),



Oczekiwania na up

łynięcie zadanego czasu (zawieszenie),



Oczekiwania na sygnał lub komunikat lub zakończenie pracy
procesu-potomka.



Kolejka to struktura danych

– posiada:



Nagłówek kolejki,



Ogon (koniec) kolejki.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym –

planowanie zadań



Odpowiednie pola w tablicy opisu procesu, wskazuj

ące na stan i

przypisanie procesu do kolejek (proces mo

że być umieszczony w co

najwyżej dwóch jednocześnie, w tym w jednej kolejce czasowej) służą
do zarz

ądzania procesami przez planistów.



Planista krótkoterminowy przydziela procesor jednemu z procesów
b

ędących w kolejce aktywnych procesów. Gdy ta kolejka jest pusta,

działa tzw. proces tła.



Program realizujący przydział (dispatcher) dokonuje:



Prze

łączenia kontekstu (zmiana procesu aktywnego, a dotychczasowy

aktywny wpisuje do którejś z kolejek, a jego ślad do tablicy opisu),



Prze

łączenia do trybu użytkownika,



ładowanie PC (licznik rozkazów) adresem miejsca wznowienia

programu (przekazanie procesora nowemu aktywnemu procesowi).

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym –

algorytmy planowania zadań



FCFS (First Come - First Served).

Sposób realizacji - kolejka FIFO (First

In - First Out). Wada -

średni czas oczekiwania na procesor może być

bardzo długi 



SJF (Shortest Job First) -

najpierw najkrótsze zadanie (szacowany czas

realizacji). Stosowany we wst

ępnej fazie. Gdy kolejne fazy realizacji

procesów mają zbliżone czasy trwania, to wówczas przechodzimy do
modelu FCFS.

Sposób realizacji: porządkowanie kolejki zadań

gotowych.



Zaleta: optymalny czas oczekiwania.



Wada: trudność określenia czasu realizacji w kolejnych fazach realizacji

zadań (np. po zakończeniu operacji we/wy). Stosuje się różne oszacowania,

najczęściej tzw. średnie wykładnicze czasu wykonania poprzednich faz.

Algorytm SJF może być wywłaszczający lub niewywłaszczający.

SJF jest algorytmem priorytetowym z priorytetem odwrotnie zależnym

od wielkości czasu przewidywanej następnej fazy wykonania.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym –

algorytmy planowania zadań



Planowanie priorytetowe -

SJF to szczególny przypadek tego bardziej

ogólnego modelu. Algorytm planowania priorytetowego może być
wywłaszczający lub niewywłaszczający.

Założenie: każdy proces ma przypisany pewien priorytet.

Zasada działania: procesor otrzymuje proces o najwyższym priorytecie. Jeśli są
równe, to reguła FCFS.



Planowanie rotacyjne (round-robin) - specjalnie zaprojektowany dla
systemów z podziałem czasu.

Założenie: Procesy wykonują się przez określony z góry, zdefiniowany dla

systemu kwant (odcinek) czasu.

Realizacja: Kolejka procesów to kolejka cykliczna (ostatni proces wskazuje jako
na nast

ępny na pierwszy proces). Procesy gotowe wstawiane do kolejki

zgodnie z regu

łą FIFO. Nowe procesy są wstawiane na koniec kolejki. Po

zako

ńczeniu fazy wykonania następuje przełączenie kontekstu, proces wędruje

na koniec kolejki i pobierany jest pierwszy z pocz

ątku kolejki.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym –

algorytmy planowania zadań



Planowanie rotacyjne (round-robin)- cd

Faza wykonania może być krótsza niż jeden kwant wtedy, kiedy
proces zwolni procesor lub zakończy działanie.

Ocena:

średni czas cyklu przetwarzania zależy od kwantu

czasu.

Wada: Trudno optymalnie dobrać kwant czasu. Gdy jest za
duży, to planowanie rotacyjne przekształca się w model FCFS.
Gdy jest za mały, to wydłuża się średni czas przetwarzania ze
względu na narzut czasu na organizację przełączania procesów.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym –

algorytmy planowania zadań



Wielopoziomowe planowanie kolejek - stosowane wtedy,
kiedy mo

żna procesy przypisać do różnych grup (klas)

wykonania, np. procesy pierwszoplanowe i procesy
drugoplanowe (wsadowe).



Przykładowa hierarchia może wyglądać następująco:



Procesy systemowe,



Procesy interakcyjne,



Procesy wsadowe,



Programy studenckie.



Dla ka

żdej grupy można zastosować inną metodę (algorytm)

przydzia

łu procesora.



Do rozs

ądzania sporów pomiędzy kolejkami stosujemy

wyw

łaszczające planowanie stało-priorytetowe.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym –

algorytmy planowania zadań



Wielopoziomowe planowanie kolejek ze sprz

ężeniem

zwrotnym - to wielopoziomowe planowanie kolejek z
uwzgl

ędnieniem możliwości przemieszczania procesów pomiędzy

kolejkami.



Proces jest przypisywany na stałe do kolejki w chwili wprowadzania
do systemu. W miar

ę postępu w swoich obliczeniach proces może

migrowa

ć do kolejek o ograniczonym (niższym) priorytecie. Z kolei

procesy bardzo d

ługo czekające na uruchomienie mogą otrzymać

procesor szybciej.



Parametry takiego modelu to:



Liczba kolejek,



Algorytm planowania dla ka

żdej kolejki,



Metody zastosowane do podj

ęcia decyzji o zmianie priorytetu lub

zmianie kolejki procesów,



Metoda okre

ślenia kolejki do której trafi proces.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami w systemie operacyjnym –

algorytmy planowania zadań



Planowanie wieloprocesorowe



Rozró

żniamy 2 rodzaje systemów wieloprocesorowych:

homogeniczne - wszystkie procesory jednakowe i
heterogeniczne - przynajmniej jeden procesor inny.



Rodzaje przydziału:



Ładowanie dzielone - każdy procesor ma własną kolejkę.



Ładowanie wspólne - gdy jednakowe procesory - wspólna kolejka
procesów gotowych do wszystkich procesorów.



Niekiedy jeden z procesorów nie wykonuje innych zadań, a
spe

łnia jedynie rolę planisty - wieloprzetwarzanie asymetryczne.

Piotr Szpryngier

Koordynowanie działania procesów



Stosowanie: przetwarzanie wspó

łbieżne - podstawa systemów

wielozadaniowych, ale komunikaty są też wykorzystywane w

systemach rozproszonych.



Klasyczne problemy synchronizacji:



Producent - konsument (ci) - problem ograniczonego buforowania.



Problem typu dost

ępu do zasobów współdzielonych - problem

czytelników i pisarzy.



Problem posilaj

ących się filozofów - powstawanie blokad i

przeciwdziałanie blokadom (deadlocks).



Mechanizmy

koordynacji działania procesów:



Sprz

ętowe – przerwania,



Niskiego poziomu (j

ądro systemu poprzez API): sygnały, potoki;



Programowe na poziome SO lub wy

żej:



semafory, sekcje krytyczne



monitory, komunikaty.

Piotr Szpryngier

Koordynowanie działania procesów



Konstrukcje programistyczne służące do realizacji
synchronizacji: semafory, strefy krytyczne, komunikaty,

semafory.



Semafor: zmienna globalna o wartościach całkowitych –

działanie sprowadza się do wskaźnika (flagi) sygnalizującej

dostępność (dostępny, gdy wartość >0). Operacje na

semaforze: czekaj(s), sygnalizuj(s) mają charakter atomowy,

tzn. nie mogą być przerwane w żadnej sytuacji. Inne nazwy

tych operacji: zajmij(s), zwolnij(s).



Pseudokod obrazujący użycie operacji semaforowych:

czekaj(S): while S 0 do nic;

//próba zajęcia

S := S

– 1;

// tu dostaliśmy się

sygnalizuj(S): S := S + 1;

//zwolnienie

Piotr Szpryngier

Koordynowanie działania procesów - semafory



Semafory s

łużą m.in. do budowy sekcji krytycznej

wykorzystywanej przez wiele procesów:



Sekcja krytyczna zapewnia wy

łączność korzystania z danych i

kodu zawartego w tej sekcji.

Jest strzeżona przez semafor

binarny (mutex). Nazwa pochodzi od mutual exclusion.



Przykład implementacji sekcji krytycznej:

żdy proces zawiera następujący fragment kodu źródłowego:

repeat

czekaj(S);

sekcja krytyczna

//jesteśmy wewnątrz sekcji krytycznej

sygnalizuj(S);

// wyjście z sekcji

reszta kodu procesu

until false;

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami – blokady i ich unikanie



Blokada – stan w jakim znajduje się część procesów w systemie,

nie mogąc kontynuować działania, bowiem przetrzymując jakiś

zasób potrzebny innemu procesowi, nie mogą otrzymać innego

potrzebnego do dalszej pracy, a przetrzymywanego przez ten

właśnie inny proces.



Blokada powstanie, gdy jednocze

śnie są spełnione następujące

4 warunki:



Wzajemne wy

łączanie - przynajmniej jeden zasób musi być

niepodzielny,



Przetrzymywanie i oczekiwanie na inny zasób,



Brak wyw

łaszczeń zasobów,



Czekanie cykliczne - procesy czekaj

ą na zasoby wzajemnie

przetrzymywane.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami – zapobieganie blokadom



Unikanie blokad:

Warunek wzajemnego wyłączania musi być spełniony w stosunku
do zasobów niepodzielnych, a w przypadku pozostałych zasobów
należy dążyć do wyeliminowania tego warunku.

Aby przetrzymywanie i oczekiwanie

nie powodowało blokad, należy

ograniczyć liczbę przetrzymywanych (posiadanych) zasobów do
najwyżej jednego. Inny sposób to przydzielanie zasobów
zgrupowanych (podczas akcji atomowej - nierozdzielnie).

Aby zapewnić, że przydzielane zasoby ulegną wywłaszczeniu,
używamy różnych protokołów.

Aby czekanie cykliczne

nigdy nie nastąpiło, należy uporządkować

typy zasobów i wymagać, by ubiegać się o nie w porządku np.
wzrastającej numeracji.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie procesami – unikanie blokad



Unikanie blokad -

takie sterowanie pracą systemu, by zawsze był on

w tzw. stanie bezpiecznym

. Sprowadza się to do wykrywania pętli

podczas realizacji zamó

wień na zasoby i wymuszanie czekania bez

posiadania żadnych zasobów.



Istniej

ą także algorytmy służące do wykrywania i usuwania blokad.

Wychodzenie z blokady - sposoby:



Zako

ńczenie procesu,



Zaniechanie (cofni

ęcie obliczeń do początku) wszystkich procesów

uwik

łanych w blokady,



Usuwanie procesów pojedynczo a

ż do chwili wyeliminowania pętli

blokady,



Wywłaszczenie zasobów (trudności: wybór ofiary, wycofanie i
wznowie

nie działania)

Piotr Szpryngier

Zarządzanie pamięcią główną (operacyjną)



Zarządzanie pamięcią:



dynamiczne ładowanie programów w postaci kodu relokowalnego,

przydzielanie i odbieranie bloków pamięci, przemieszczanie w pamięci,

planowanie długoterminowe przydzielania pamięci, usuwanie fragmentacji

pamięci;



dynamiczne łączenie z bibliotekami,



stosowanie nakładek (wymiennych fragmentów programu),



Zarządzanie pamięcią wirtualną (mechanizm stronicowania).



Stronicowanie (sprzętowe) - pamięć fizyczną dzielimy na bloki zwane

ramkami. Ramki mają stały rozmiar. Pamięć logiczna również jest
podzielona na bloki tego samego rozmiaru, zwane stronami. Ka

żdy adres

fizyczny wygenerowany przez procesor dzieli si

ę na dwie części: numer

strony s

i odległość na stronie o (offset). Numery stron tworzą ciągłą

sekwencj

ę liczb od 0, natomiast w tablicy stron są one indeksem do

wyszukania lokalizacji rzeczywistej ramki w pami

ęci fizycznej.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie pamięcią główną (operacyjną)



Segmentacja –

schemat zarządzania pamięcią urzeczywistniający

sposó

b widzenia pamięci przez użytkownika. Przestrzeń adresów

logicznych jest zbiorem segmentów. Ka

żdy segment ma nazwę i

długość. Adres określa nazwę segmentu i odległość (przesunięcie)
wewn

ątrz segmentu.



Wiele kompilatorów wytwarza odr

ębne segmenty dla zmiennych

globalnych, stosu lokalnego, kodu programu (mo

że być ich wiele) i

danych oraz zmiennych lokalnych.



Przyk

ład: procesory x86 stosują segmentację jako schemat

zarz

ądzania pamięcią. Mamy segmenty kodu (CODE), danych

(DATA) i stosu (STACK).

Piotr Szpryngier

Zarządzanie pamięcią główną (operacyjną)



Pamięć wirtualna to technika, która umożliwia równoczesne
(wspó

łbieżne) wykonywanie wielu procesów mimo tego, że nie

są one w całości przechowywane w pamięci. Polega ona na

„wydłużeniu” obszaru pamięci operacyjnej o dowolnej wielkości
obszar pamięci dyskowej (pomocniczej). W efekcie otrzymujemy
tzw. pamięć logiczną (taką jaka jest widziana przez
użytkownika). Realizacja - najczęściej jako stronicowanie na
żądanie, ale jest możliwe wykonanie w systemie segmentacji.



Zalety: mo

żna nie ograniczać wielkości kodu programu –

uproszczenie programowania i likwidacja stosowania nakładek,
a także można w PAO umieścić więcej programów i będą one
ładować się szybciej.



Wady: trudna implementacja,

przy dużej nadprogramowości

że obniżyć wydajność systemu.

Piotr Szpryngier

Zarządzanie pamięcią pomocniczą (najczęściej dyskową)



Struktura fizyczna:



Talerze + głowice,



Talerz jest podzielony na ścieżki i sektory,



Ścieżki tworzą tzw. cylindry,



Sektory tworzą tzw. bloki fizyczne danych o stałym rozmiarze (w bajtach)



Tablica bloków dyskowych jest

najczęściej traktowana przez SO jako

ciągły obszar adresowany następująco:



b = k + s (j + i t), gdzie:



b - adres (numer) bloku



k - numer sektora



s - liczba sektoró

w na ścieżce



t -

liczba ścieżek w cylindrze



j - numer powierzchni



i - numer cylindra

Piotr Szpryngier

Zarządzanie pamięcią pomocniczą (najczęściej dyskową)

i zarządzanie plikami



Zarządzanie pamięcią pomocniczą:



zarządzanie wolnymi obszarami (blokami),



przydzielanie pamięci (bloków) procesom (rodzaje przydziału: ciągły,
listowy, indeksowy).



planowanie przydziałów obszarów (porcji) pamięci dyskowej –
związane z aktualnym położeniem głowicy odczytu/zapisu.



Zarządzanie plikami:



tworzenie i usuwanie plików i katalogów,



dostarczanie podstawowych operacji do manipulowania plikami i
katalogami,



odwzorowywanie plików na obszary (porcje) pamięci pomocniczej ,



składowanie plików w archiwach.

Piotr Szpryngier

Systemy czasu rzeczywistego i systemy wbudowane



Real-Time Systems reagują na zdarzenia w obrębie określonego

limitu czasu. Rozróżniamy systemy czasu rzeczywistego:



rygorystyczne i



systemy łagodne.



Systemy wbudowane są nazywane czasem systemami

dedykowanymi - pracują bez udziału ludzi (np. w rakietach,

stacjach kosmicznych, samochodach, urządzeniach wszelkiego

typu). Cechy:



brak pamięci zewnętrznej,



całkowity brak lub bardzo znikomy interfejs użytkownika,



ograniczony znacznie pod względem liczby wykaz realizowanych

zadań i udostępnianych usług.