Pojęcie systemu
operacyjnego

Co będziesz umiał



definicje SO, jądra, mikrojądra,
systemu komputerowego, maszyny
wirtualnej,



rodzaje zasobów komputerowych



funkcje SO



struktury SO



Ewolucja systemów operacyjnych

System operacyjny



(Silberschatz i inni) System operacyjny jest
programem, który działa jako pośrednik
między użytkownikiem komputera, a
sprzętem komputerowym



(Deitel) System operacyjny to zespół
programów, które samodzielnie umożliwiają
wszechstronne wykorzystanie sprzętu
komputerowego

System operacyjny



(Milenković) System operacyjny to
zorganizowany zbiór programowych
rozszerzeń sprzętu, zawierający
procedury kontrolne dla pracy
komputera i dostarczający otoczenia
dla wykonywanych programów

System operacyjny



(Błażewicz i inni) System operacyjny
to zbiór programów pośredniczących
między sprzętem a użytkownikiem,
dokonujących dynamicznego
rozdziału dostępnych zasobów
pomiędzy istniejące procesy w sposób
zapewniający ich poprawne oraz
efektywne wykonanie

System operacyjny

 Systemem operacyjnym nazywamy

zorganizowany zbiór programów
pośredniczących między sprzętem
komputerowym a jego użytkownikiem,
który dokonuje dynamicznego
rozdziału dostępnych zasobów
pomiędzy istniejące procesy w sposób
zapewniający ich poprawne oraz
efektywne, w sensie przyjętego
kryterium, wykorzystanie.

System komputerowy



System komputerowy to sprzęt
komputerowy oraz system operacyjny
+ dodatkowe oprogramowanie,
traktowane jako całość służąca do
ściśle określonych celów.



np.: komputerowy system obsługi
transakcji bankowych

Funkcje systemu operacyjnego



Główne grupy funkcji systemu
operacyjnego obejmują:



nadzorowanie uruchamianych
programów użytkownika,



kontrolę zapisu, odczytu oraz innych
operacji na danych,



zarządzanie dostępnymi zasobami, ze
szczególnym uwzględnieniem procesora
(procesorów).

Funkcje systemu operacyjnego



Bardziej szczegółowy podział funkcji SO:



sterowanie procesami:



tworzenie nowych procesów



zabijanie istniejących procesów



przydział istniejących procesów do
procesora/procesorów



przełączanie procesów



synchronizacja procesów, komunikacja między
procesami

Funkcje systemu operacyjnego



Bardziej szczegółowy podział funkcji SO:



zarządzanie pamięcią



przydział przestrzeni adresowej do procesów



zarządzanie stronami (segmentami) pamięci
wirtualnej



obsługa przydziału bloków pamięci zewnętrznej



zrzucanie obrazu procesów do pamięci
zewnętrznej

Funkcje systemu operacyjnego



Bardziej szczegółowy podział funkcji
SO:



przetwarzanie plików,



obsługę operacji I/O,



buforowanie, obsługa przerwań



przydział urządzeń I/O do procesów



współdzielenie i ochronę danych,



specyfikację interfejsu użytkownika.

Skład oprogramowania typowego
SO



polecenia do zarządzania pamięcią,



polecenia do zarządzania procesami,



polecenia do zarządzania plikami,



polecenia ogólnego przeznaczenia
(formatowanie dysków, diagnostyka
systemu itp.),

Skład oprogramowania typowego
SO



interpretery i kompilatory języków

programowania,



programy wspomagające tworzenie

oprogramowania,



narzędzia do administracji systemem

(zakładanie kont użytkowników,

archiwizacja danych itp.),



inne (gry, obsługa grafiki, muzyki itp.)

Zasoby w SO



Zasobem w systemie operacyjnym
nazywamy każdy rodzaj sprzętu
komputerowego lub danych,
niezbędny do prawidłowego
rozpoczęcia, wykonywania oraz
zakończenia istniejących procesów.

Główne zasoby w SO



procesor (procesory),



pamięć (operacyjna, zewnętrzna),



urządzenia wejścia/wyjścia,



dane.

Zasoby w SO



Zasób jest nieodnawialny, jeśli jest
zużywany przez wykorzystujący go proces.



Zasób jest nieprzywłaszczalny, jeśli nie
jest możliwe zawieszenie jego
wykorzystywania przez aktywny proces.



Zasób jest niepodzielny, jeśli
wykorzystywać go może w danej chwili
tylko jeden proces.

Przykłady zasobów w SO



zasoby odnawialne – pamięć operacyjna,

urządzenia I/O



zasoby nieodnawialne – energia

elektryczna, pamięć dyskowa



zasoby nieprzywłaszczalne – urządzenia I/O



zasoby przywłaszczalne – procesor, pamięć

operacyjna



zasoby niepodzielne – urządzenia I/O

(drukarki, dyski)



zasoby podzielne – pamięć operacyjna

SO jako warstwa maszyny
wirtualnej



Na system operacyjny można także patrzeć

jak na jedną z warstw tzw. maszyny

wirtualnej.



Maszyna wirtualna to abstrakcyjny model

komputera o innych własnościach aniżeli

maszyna fizyczna; składają się na nią

rozwiązania dotyczące obsługi urządzeń I/O,

pamięci operacyjnej (wirtualnej), systemu

plików, sterowania programami (procesami)

oraz przyjęte metody ochrony danych.

Warstwy maszyny wirtualnej



warstwa użytkownika



programy użytkownika



warstwa systemu operacyjnego



powłoka (interpreter poleceń)



w. oprogramowania systemowego



warstwa sprzętu



język maszynowy



mikroprogramowanie



sprzęt

SO jako warstwa maszyny
wirtualnej



Na poziomie każdej z warstw istnieje

odrębny język, za pomocą którego

użytkownik porozumiewa się z

maszyną wirtualną



Przykład: na poziomie powłoki

językiem są polecenia powłoki, na

poziomie sprzętu – ciągi sygnałów

elektrycznych o odpowiednich

parametrach itp.

SO jako warstwa maszyny
wirtualnej



W SO lat 60-tych wprowadzono języki

sterowania zadaniami (JCL, ang. Job

Command Language), opisujące

zadania (programy) na potrzeby SO



Języki JCL były skomplikowane,

niechętnie stosowane przez

użytkowników i stosunkowo szybko

zarzucone.

Przykład języka JCL



Przykład 1 (JCL systemu GEORGE 3 dla ICL 1900)

JOB FORTRAN, 77101, PBR
IN MT (PROGRAM TAPE)
LOAD #XFAM
IN/O (SOURCE)
ENTER 1
AT DELETED LO, GOTO 8
END
8 LOAD #
IN/O (DATA)
ENTER
AT HALTED

Miary efektywności pracy SO



Znane są różne kryteria efektywności pracy
SO, do najczęściej wykorzystywanych
należą:



średni czas odpowiedzi (SO interaktywne),



niewykorzystany czas pracy procesora
(utylizacja),



średni czas przepływu, tj. średni czas, jaki
upływa między rozpoczęciem procesu, a jego
zakończeniem (SO wsadowe)

Struktury SO



Wyróżniamy następujące rodzaje struktur SO:



monolityczna (jednolita) - system operacyjny jest zbiorem
usług, z których każda może wywołać inną;



warstwowa - system operacyjny jest podzielony na warstwy
odpowiadające za poszczególne funkcje systemu; główne
warstwy to w. jądra, w. powłoki, w. programów użytkownika



Odmianą budowy warstwowej jest tzw. budowa
pierścieniowa



W SO warstwowych (pierścieniowych) najbardziej
wewnętrzną warstwą jest jądro systemu.

Jądro SO



Jądro systemu operacyjnego to
najbardziej wewnętrzna warstwa
systemu, odpowiedzialna za
szeregowanie procesów, komunikację
międzyprocesową oraz zarządzanie
pamięcią.

Funkcje jądra



zarządzanie procesami



zarządzanie pamięcią



obsługa urządzeń I/O



inne (monitoring, accounting itp.)



Funkcje jądra dotyczą najbardziej
podstawowych operacji,
wywoływanych bardzo często
przez procesy.

Mikrojądro



Mikrojądro to mały rdzeń SO, będący
podstawą do modularnych
(modułowych) rozszerzeń.

Struktury SO



Do innych typów struktur SO należą
systemy:



maszyn wirtualnych - system operacyjny stwarza
dla każdego użytkownika „wirtualny” komputer
posiadający własną kopię systemu;



systemy z mikrojądrem - podstawowe usługi
systemu operacyjnego są umieszczane w
mikrojądrze, inne są implementowane jako
procesy użytkownika (klienci). Klienci wysyłają
żądania do serwera, zarządzającego daną
funkcją za pomocą techniki „klient-serwer”.

Struktury SO



Mikrojadro po raz pierwszy pojawiło się w
SO Mach.



Typowe mikrojądro 1. generacji ma ok. 300
kB kodu, 140 usług systemowych.



Typowe mikrojądro 2. generacji ma ok. 10
kB kodu, jedynie kilka usług systemowych.



SO wykorzystujące mikrojądro bardzo
często korzystają z tzw. techniki klient-
serwer.

Klient-serwer



Technika „klient-serwer” polega na
podziale oprogramowania
systemowego na dwie
współdziałające ze sobą części o
nazwach „klient” oraz „serwer”.

Zalety techniki klient-serwer



uproszczenie struktury SO



zwiększenie niezawodności SO,



zapewnienie jednolitego sposobu
komunikacji między procesami,



stworzenie podstaw dla przetwarzania
rozproszonego,



łatwa rozszerzalność SO o nowe
funkcje.

Tryby pracy SO



SO może pracować w różnych trybach,
które różnią się między sobą zbiorem usług
dostępnych dla użytkownika.



Tryb pracy SO decyduje o tym, jakie usługi
SO mogą zostać przez dany proces
wywołane.



Wyróżniamy dwa główne tryby:



tryb użytkownika (ang. user mode) oraz



tryb jądra (ang. kernel mode).

Tryby pracy SO



W trybie użytkownika proces nie
dysponuje dostępem do wszystkich
usług systemu.



Możliwości pracy systemu w różnych
trybach określa architektura
procesora (por. tryb
rzeczywisty/chroniony w procesorach
80286+ firmy Intel).

Klasyfikacja SO



dla jednego użytkownika:



jednoprogramowe



wieloprogramowe,



dla wielu użytkowników,



sieciowe systemy operacyjne,



rozproszone systemy operacyjne,



systemy czasu rzeczywistego,



ogólnego przeznaczenia



wsadowe,



wielodostępne



systemy obsługi baz danych.

Cechy współczesnych SO



architektura oparta o mikrojądro,



funkcje SO implementowane w
technice „klientserwer”,



wielowątkowość,



wieloprzetwarzanie,



obliczenia rozproszone,



metodologia OOP (ang. Object
Oriented Programming).

Pokolenia SO



1. pokolenie (1945-1955)



Sprzęt: komputery lampowe, tablice
połączeń



SO: brak SO, brak języka maszynowego



2. pokolenie (1955-1965)



Sprzęt: komputery tranzystorowe, systemy
wsadowe, praca typu „off-line”



SO: systemy FMS, IBSYS (dla komputera
7094)

Pokolenia SO



Systemy operacyjne 2. pokolenia są

nazywane monitorami, ponieważ ich główne

zadanie polegało na monitorowaniu

wykonywania podstawowych funkcji takich

jak:



obsługa przerwań,



sterowanie pracą urządzeń I/O



szeregowanie zadań (programów)



interpretacja języka sterowania zadaniami (JCL)



obsługa programów użytkowych,



Wyżej wymienione funkcje były realizowane

w bardzo podstawowym zakresie.

Pokolenia SO



3. pokolenie (1965-1980)



Sprzęt: komputery na układach scalonych,

kanały, przerwania, wieloprogramowość, podział

czasu



systemy: OS/360 (1964), GEORGE 3 (ICL 1900),

CTSS (1962): 32Kx32b, monitor 5K, przerwania

co 0.2s



4. pokolenie (1980-do dzisiaj)



Sprzęt: komputery na układach VLSI, komputery

typu PC, stacje robocze



SO: CP/M, MS-DOS, Windows 9x, OS/2, Windows

NT, Windows XP

Przykłady SO



Pierwsze znane systemy operacyjne:



system bez nazwy dla komputera EDVAC (koniec
lat 40-tych),



system bez nazwy opracowany przez firmę
General Motors dla komputera IBM 701 (połowa
lat 50-tych).



Pierwszy system operacyjny o budowie
warstwowej:



system THE (Dijkstra 1968) dla komputera
Electrologica X8

Przykłady SO



Pierwszy system operacyjny o budowie

pierścieniowej:



system MULTICS (Corbato et al. 1965), będący

prekursorem wielu rozwiązań przyjętych w innych

SO (jądro, procesy, potoki, powłoka).



System operacyjny „maszyn wirtualnych”:



system VM/370 (1979), pochodzący od systemów

OS/360, TSS/360 oraz CP/CMS dla komputerów

rodziny IBM/360.



SO dla 1-go użytkownika (jednoprogramowe):



CP/M



MS-DOS,

Przykłady SO



SO dla 1-go użytkownika
(wieloprogramowe):



Windows NT,



OS/2,



Windows XP,



Windows Vista.



SO dla wielu użytkowników
(wielodostępne):



Unix, Solaris, SunOS.



Linux i jego dystrybucje.



SO sieciowe:



Novell NetWare



SO rozproszone:



Mach, Chorus, DCE



SO czasu rzeczywistego:



QNX, RSX-11, RMX-80

SO sieciowy



(NOS – network operating system)
pozwala wielu komputerom pracować
we wspólnej sieci i zarządza
rozmaitymi aspektami pracy
sieciowej, jak udostępnianie plików
czy drukowanie

SO rozproszony



zbiór niezależnych komputerów,
sprawiająch na jego uzytkownikch
wrażenie jednego, logicznie zwartego
systemu

SO czasu rzeczywistego



spełnia wymagania narzucone przez
czas działania. Najczęściej wymaga
się od niego reakcji w określonym
czasie



takie systemy sterują centralami
telefonicznymi, systemem ABS w
samochodzie

Pytania