Systemy operacyjne
wykład  dr Marcin Czarnota
laboratorium
 mgr Radosław Maj
Plan wykładów
1. Wprowadzenie,
2. Procesy, wÄ…tki i zasoby,
3. Planowanie przydziału procesora,
4. Zarządzanie pamięcią operacyjną, pamięć
wirtualna,
5. Urządzenia wejścia  wyjścia,
6. System plików,
7. Współbieżność i synchronizacja procesów,
8. Zakleszczanie.
Systemy operacyjne Wykład 1 2/31
Literatura
1. A. Silberschatz, P.B. Galvin, G. Gagne, Podstawy
systemów operacyjnych, wydanie szóste, WNT 2005;
wydanie siódme, WNT 2006,
2. A. N. Tanenbaum, Modern operating systems, third
edition, Pearson 2008,
3. W. Stallings, Systemy operacyjne. Robomatic,
Wrocław 2004,
4. C. Sobaniec, System operacyjny Linux  przewodnik
użytkownika. Nakom, Poznań 2002.
http://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php
http://th-www.if.uj.edu.pl/~placzek/dydaktyka/SO/wyklady/
Systemy operacyjne Wykład 1 3/31
Wprowadzenie
uð System operacyjny:
" definicje,
" rola i zadania,
uð Klasyfikacja systemów operacyjnych,
uð Zasada dziaÅ‚ania systemu operacyjnego.
Systemy operacyjne Wykład 1 4/31
Definicje systemu operacyjnego
System operacyjny jest zbiorem ręcznych i
automatycznych procedur, które pozwalają
grupie osób na efektywne współdzielenie
urządzeń maszyny cyfrowej.
Per Brinch Hansen
Systemy operacyjne Wykład 1 5/31
Definicje systemu operacyjnego
System operacyjny (nadzorczy, nadrzędny, sterujący)
jest to zorganizowany zespół programów, które
pośredniczą między sprzętem a użytkownikami,
dostarczając użytkownikom zestawu środków
ułatwiających projektowanie, kodowanie,
uruchamianie i eksploatację programów oraz w tym
samym czasie sterują przydziałem zasobów dla
zapewnienia efektywnego działania.
Alan Shaw
Systemy operacyjne Wykład 1 6/31
Definicje systemu operacyjnego
System operacyjny jest programem, który
działa jako pośrednik między użytkownikiem
komputera a sprzętem komputerowym.
Zadaniem systemu operacyjnego jest
tworzenie środowiska, w którym użytkownik
może wykonywać programy w sposób wygodny
i wydajny.
Abraham Silberschatz
Systemy operacyjne Wykład 1 7/31
Definicje systemu operacyjnego
System operacyjny jest warstwÄ…
oprogramowania operującą bezpośrednio na
sprzęcie, której celem jest zarządzanie
zasobami systemu komputerowego i
stworzenie użytkownikowi środowiska
Å‚atwiejszego do zrozumienia i wykorzystania.
Andrew Tanenbaum
Systemy operacyjne Wykład 1 8/31
Miejsce systemu operacyjnego w
architekturze systemu komputerowego
Użytkownicy
Programy użytkowe
kompilator
System operacyjny
Baza
Edytor
danych
tekstu
System
komputerowy
Systemy operacyjne Wykład 1 9/31
Architektura systemu
komputerowego
Systemy operacyjne Wykład 1 10/31
Struktura systemu operacyjnego
interpreter programy
poleceń systemowe
jÄ…dro systemu
operacyjnego
sprzęt
Systemy operacyjne Wykład 1 11/31
Zadania systemu operacyjnego
" Definicja interfejsu użytkownika,
" Udostępnianie systemu plików,
" Udostępnianie środowiska do wykonywania
programów użytkownika,
 mechanizm Å‚adowania i uruchamiania
programów,
 mechanizmy synchronizacji i komunikacji
procesów,
" Sterowanie urządzeniami wejścia-wyjścia,
" Obsługa podstawowej klasy błędów.
Systemy operacyjne Wykład 1 12/31
ZarzÄ…dzanie zasobami systemu
komputerowego
" Przydział zasobów,
" Planowanie dostępu do zasobów,
" Ochrona i autoryzacja dostępu do zasobów,
" Odzyskiwanie zasobów,
" Rozliczanie  gromadzenie danych o
wykorzystaniu zasobów.
Systemy operacyjne Wykład 1 13/31
Zasoby zarzÄ…dzane przez system
operacyjny
" Procesor  przydział czasu procesora,
" Pamięć:
 alokacja przestrzeni adresowej dla procesów,
 ochrona i transformacja adresów,
" Urządzenia wejścia-wyjścia:
 udostępnianie i sterowanie urządzeniami pamięci
masowej,
 alokacja przestrzeni dyskowej,
 udostępnianie i sterownie drukarkami,
skanerami itp.,
" Informacja (system plików):
 organizacja i udostępnianie informacji,
 ochrona i autoryzacja dostępu do informacji.
Systemy operacyjne Wykład 1 14/31
Podział systemów operacyjnych
uð ze wzglÄ™du na sposób przetwarzania,
uð ze wzglÄ™du na liczbÄ™ wykonywanych programów,
uð ze wzglÄ™du na liczbÄ™ użytkowników,
uð inne.
Systemy operacyjne Wykład 1 15/31
Sposób przetwarzania
" Systemy przetwarzania bezpośredniego (on-line
processing systems)  systemy interakcyjne
 występuje bezpośrednia interakcja pomiędzy
użytkownikiem a systemem,
 wykonywanie zadania użytkownika rozpoczyna
się zaraz po przedłożeniu.
" Systemy przetwarzania pośredniego (off-line
processing systems)  systemy wsadowe
 występuje znacząca zwłoka czasowa między
przedłożeniem a rozpoczęciem wykonywania
zadania,
 niemożliwa jest ingerencja użytkownika w
wykonywanie zadania.
Systemy operacyjne Wykład 1 16/31
Liczba wykonywanych programów
" Systemy jednozadaniowe  niedopuszczalne
jest rozpoczęcie wykonywania następnego
zadania użytkownika przed zakończeniem
poprzedniego.
" Systemy wielozadaniowe  dopuszczalne jest
istnienie jednocześnie wielu zadań (procesów),
którym zgodnie z pewną strategią przydzielany
jest procesor.
Systemy operacyjne Wykład 1 17/31
Liczba użytkowników
" Systemy dla jednego użytkownika  zasoby
przeznaczone są dla jednego użytkownika (np.
w przypadku komputerów osobistych), nie ma
mechanizmów autoryzacji, a mechanizmy
ochrony informacji sÄ… ograniczone.
" Systemy wielodostępne  wielu użytkowników
może korzystać ze zasobów systemu
komputerowego, a system operacyjny
gwarantuje ich ochronę przed nieupoważnioną
ingerencjÄ….
Systemy operacyjne Wykład 1 18/31
Inne systemy operacyjne
" Systemy czasu rzeczywistego (real-time systems)
 zorientowane na przetwarzanie z uwzględnieniem
ostrych kryteriów czasowych.
" Systemy sieciowe i rozproszone (network and
distributed systems)  umożliwiają zarządzanie
zbiorem rozproszonych jednostek przetwarzajÄ…cych,
czyli zbiorem jednostek (komputerów), które są
połączone siecią komputerową i nie współdzielą
fizycznie zasobów.
" Systemy operacyjne komputerów naręcznych 
tworzone dla rozwiązań typu PDA, czy telefonów
komórkowych, podlegają istotnym ograniczeniom
zasobowym (wolny procesor, mała pamięć, niewielki
ekran).
Systemy operacyjne Wykład 1 19/31
Zasada działania systemu
operacyjnego
ujęcie wielowarstwowe
poziom języka zorientowanego problemowo
poziom asemblera
poziom systemu operacyjnego
poziom maszynowy mikroprocesora
poziom mikroarchitektury
Systemy operacyjne Wykład 1 20/31
Architektura von Neumanna
" Zarówno program (kody rozkazów), jak i dane
(argumenty rozkazu, operandy) znajdujÄ… siÄ™ w
pamięci operacyjnej.
" Rozkazy wykonywane są w kolejności, w jakiej
zostały umieszczone w programie (i tym samym w
pamięci), a zmiana tej kolejności może nastąpić w
wyniku wykonania specjalnego rozkazu, np.
skoku, wywołania podprogramu, powrotu z
podprogramu itp.
" W celu pobrania rozkazu z pamięci procesor
wystawia odpowiedni adres na magistrali adresowej.
Systemy operacyjne Wykład 1 21/31
Cykl rozkazowy
" Cykl rozkazowy  cykl działań procesora i jego
interakcji z pamięcią operacyjną związanych z
realizacjÄ… rozkazu.
" Cykl rozkazowy składa się z faz, zwanych
cyklami maszynowymi.
" Typowe fazy cyklu rozkazowego:
 pobranie kodu rozkazu  odczyt pamięci,
 pobranie operandu  odczyt pamięci,
 składowanie operandu  zapis pamięci.
Systemy operacyjne Wykład 1 22/31
Cykl rozkazowy  pobranie rozkazu
pobranie
pobranie
kodu
operandu
rozkazu
wystawienie wystawienie
dekodowanie
adresu kodu adresu
operacji
rozkazu operandu
łańcuch
faza pobrania
faza pobrania
argumentu
rozkazu
Systemy operacyjne Wykład 1 23/31
pamięć / IO
CPU
Cykl rozkazowy  wykonanie
rozkazu
zapis
operandu
faza przerwania
wystawienie sprawdzenie
wykonanie
adresu zgłoszenia przerwanie
operacji
operandu przerwań
brak
faza składowania wyniku
przerwań
Systemy operacyjne Wykład 1 24/31
Podstawy działania systemu
operacyjnego
" Odwołania do jądra systemu przez system
przerwań lub specjalne instrukcje (przerwanie
programowe),
" Sprzętowa ochrona pamięci,
" Dualny tryb pracy  tryb użytkownika (user
mode) i tryb systemowy (tryb jÄ…dra, system
mode),
" Wyróżnienie instrukcji uprzywilejowanych,
wykonywanych tylko w trybie systemowym,
" Uprzywilejowanie instrukcji wejścia-wyjścia,
" Przerwanie zegarowe.
Systemy operacyjne Wykład 1 25/31
Przerwania i ich obsługa
Przerwanie jest reakcjÄ… na asynchroniczne zdarzenie,
polegającą na automatycznym zapamiętaniu bieżącego
stanu procesora w celu póz
niejszego odtworzenia oraz
przekazaniu sterowania do ustalonej procedury obsługi
przerwania.
Obsługa przerwań (interrupt handling):
" System operacyjny zachowuje stan CPU:
Ä„Û)Ü - stan licznika programu,
Ä„Û)Ü - stan innych rejestrów.
" Określa typ przerwania:
Ä„Û)Ü - odpytywanie (polling),
Ä„Û)Ü - wektorowe (vectored interrupt system).
" Dla każdego typu przerwań oddzielne procedury.
Systemy operacyjne Wykład 1 26/31
Typy przerwań
" Przerwania zewnętrzne
 od urządzeń zewnętrznych,
" Przerwania programowe
 wykonanie specjalnej instrukcji,
" Przerwania diagnostyczne
 pułapki, błędy programowe i sprzętowe.
Systemy operacyjne Wykład 1 27/31
Przerwania cd.
przerwanie
przerwanie
ujęcie wielowarstwowe
programowe
zewnętrzne
poziom systemu operacyjnego
poziom maszynowy procesora
poziom mikroarchitektury
przerwanie
diagnostyczne
Systemy operacyjne Wykład 1 28/31
Przerwania zegarowe
" Przerwanie zegarowe generowane jest przez
czasomierz (timer) po wyznaczonym okresie
czasu.
" Obsługa przerwania zegarowego oznacza przekazanie
sterowania do jÄ…dra systemu operacyjnego,
umożliwiając w ten sposób wykonanie pewnych zdań
okresowych.
przerwanie
zagarowe
program 2
program 1
program jÄ…dra
czas
Systemy operacyjne Wykład 1 29/31
programy
użytkownika
Ochrona pamięci
adres
rejestr " W wyniku wykonywania
bazowy
programu następuje
e"
odwołanie do komórek
pamięci o określonych
adresach,
" Dostępne obszary
< pamięci opisane są przez
dwa parametry: bazÄ™
(base) i granicÄ™ (limit).
rejestr
graniczny
Systemy operacyjne Wykład 1 30/31
Tryby (pierścienie) ochrony
tryb użytkownika
tryb
modułów sterujących
tryb
jÄ…dra
Systemy operacyjne Wykład 1 31/31