Systemy operacyjne Wprowadzenie, Publikacje z Informatyka

Pobierz Systemy operacyjne Wprowadzenie i więcej Publikacje w PDF z Informatyka tylko na Docsity!

Wprowadzenie

Wykład prowadzą: Jerzy Brzeziński Dariusz Wawrzyniak

Systemy operacyjne

Celem wykładu jest przedstawienie ogólnych informacji o systemie operacyjnym jako składowej oprogramowania komputera. Omawiana jest zatem jego rola i zadania, klasyfikacja oraz specyficzny sposób wykonywania, wynikający ze ścisłej integracji z poziomem maszynowym procesora.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (2)

Plan wykładu

• Definicja, miejsce, rola i zadania systemu operacyjnego
• Klasyfikacja systemów operacyjnych
• Zasada działania systemu operacyjnego

Wykład rozpoczyna się od przedstawienia kilku ogólnych definicji systemu operacyjnego, z których wynika jego rola i miejsce w oprogramowaniu komputera. Omówiona jest też ogólna struktura systemu operacyjnego. Następnie przedstawiona jest klasyfikacja systemów operacyjnych według różnych kryteriów. Ostatnia część dotyczy wykonywania systemu operacyjnego jako programu w komputerze, czyli przekazywania sterowania do kodu jądra. Poruszone przy tej okazji są kwestie zabezpieczenia jądra systemu przed niekontrolowaną ingerencją ze strony oprogramowania aplikacyjnego.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (4)

Definicja systemu operacyjnego (1)

System operacyjny jest zbiorem ręcznych i automatycznych procedur, które pozwalają grupie osób na efektywne współdzielenie urządzeń maszyny cyfrowej Per Brinch Hansen

Pojęcie systemu operacyjnego jest trudne do zdefiniowania w zwartej, lakonicznej formie. Najczęściej krótki opis jest zbyt ogólny, żeby uzyskać wyobrażenie o roli i sposobie działania tego specyficznego oprogramowania. Podobnie, trudne jest określenie elementów składowych systemu operacyjnego, czyli jednoznaczne oddzielenie oprogramowania systemowego od aplikacyjnego.

Na kolejnych slajdach przedstawione są bardzo ogólne definicje systemu operacyjnego, podane przez autorów najważniejszy monografii z tej dziedziny. Warto podkreślić, że definicje te pojawiały się na przestrzeni około 40 lat, co odzwierciedla w pewnym sensie sposób postrzegania roli i zadań systemu operacyjnego.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (5)

Definicja systemu operacyjnego (2)

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

Wprowadzenie (7)

Definicja systemu operacyjnego (4)

System operacyjny jest warstwą oprogramowania operującą bezpośrednio na sprzęcie, której celem jest zarządzanie zasobami systemu komputerowego i stworzenie użytkownikowi środowiska łatwiejszego do zrozumienia i wykorzystania. Andrew Tanenbaum

W niemal wszystkich tych definicjach przewijają się dwie zasadnicze kwestie:

• zarządzanie zasobami systemu komputerowego,
• stworzenie środowiska, wygodnego dla użytkownika.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (8)

System operacyjny w architekturze komputera

Programy użytkowe System operacyjny Sprzęt

System operacyjny pośredniczy pomiędzy użytkownikiem a sprzętem, dostarczając wygodnego środowiska do wykonywania programów. Użytkownik końcowy korzysta z programów (aplikacji), na potrzeby których przydzielane są zasoby systemu komputerowego. Przydziałem tym zarządza system operacyjny, dzięki czemu można uzyskać stosunkowo duży stopień niezależności programów od konkretnego sprzętu oraz odpowiedni poziom bezpieczeństwa i sprawności działania.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (10)

Zadania systemu operacyjnego

• Definicja interfejsu użytkownika
• Udostępnianie systemu plików
• Udostępnianie środowiska do wykonywania programów użytkownika - mechanizm ładowania i uruchamiania programów - mechanizmy synchronizacji i komunikacji procesów
• Sterowanie urządzeniami wejścia-wyjścia
• Obsługa podstawowej klasy błędów zarządzanie zasobami

Definiowanie interfejsu użytkownika: system operacyjny dostarcza użytkownikom zbiór poleceń lub system okienkowy wraz z odpowiednim menu, który umożliwia interakcję z systemem komputerowym.

Udostępnianie systemu plików: system operacyjny organizuje i ułatwia dostęp do informacji np. w postaci hierarchicznego systemu plików.

Udostępnianie środowisko do wykonywania programów: system operacyjny dostarcza struktur danych do organizacji wykonywania programu oraz zachowywania i odtwarzania stanu przetwarzania (procesy i przełączanie kontekstu). System operacyjny udostępnia też programistom mechanizmy komunikacji pomiędzy procesami (kolejki komunikatów, strumienie, pamięć współdzielona) oraz mechanizmy synchronizacji procesów (np. semafory).

Sterowanie urządzeniami wejścia-wyjścia: odpowiednie moduły sterujące, integrowane z systemem operacyjnym, inicjalizują pracę urządzeń zewnętrznych oraz pośredniczą w efektywnym przekazywaniu danych pomiędzy jednostką centralną a tymi urządzeniami.

Obsługa podstawowej klasy błędów: system operacyjny reaguje na błędy użytkowników (np. niedostępność zasobów, brak prawa dostępu), programistów (np. błąd dzielenia przez 0, naruszenie ochrony pamięci, nieprawidłowy kod rozkazu) oraz systemu (np. błąd braku strony, błąd magistrali).

Efektywność zarządzania zasobami oraz wygodny interfejs dla użytkownika są dwoma ogólnymi, niezależnymi celami projektowymi systemów operacyjnych. Pierwszy z tych celów był kluczowy w rozwoju rodziny systemów uniksowych. Dopiero w późniejszych etapach ich rozwoju pojawił się intuicyjny okienkowy interfejs użytkownika. Systemy rodziny MS Windows zorientowane były natomiast przede wszystkim na interfejs użytkownika, na bazie którego w późniejszych etapach rozwoju powstawał pełnowartościowy system operacyjny, uwzględniający szerzej rozumiane zarządzanie zasobami.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (11)

Zarządzanie zasobami systemu komputerowego

• Przydział zasobów
• Planowanie dostępu do zasobów
• Ochrona i autoryzacja dostępu do zasobów
• Odzyskiwanie zasobów
• Rozliczanie — gromadzenie danych o wykorzystaniu zasobów

Formalne pojęcie zasobu zostanie wprowadzone wraz z pojęciem procesu. Na razie zasób będzie rozumiany intuicyjnie jako element systemu komputerowego istotny, czy wręcz kluczowy dla realizacji przetwarzania. Funkcja zarządzania zasobami nie jest bezpośrednio wykorzystywana przez użytkownika (czasami nie jest przez niego w ogóle dostrzegana). Jej celem jest optymalizacja wykorzystania zasobów przez użytkowników.

W ramach zarządzania ogólnie rozumianymi zasobami można wyróżnić następujące operacje:

• Przydział zasobów: realizacja żądań dostępu do zasobów w taki sposób, że zasoby używane są zgodnie z intencją użytkowników (np. zagwarantowanie wyłącznego dostępu drukarki).
• Planowanie dostępu do zasobów: strategia przydziału zasobów gwarantująca bezpieczeństwo, żywotność, brak zakleszczenia, sprawiedliwość oraz optymalność ich wykorzystania. Warto zwrócić uwagę na odróżnienie planowania od samego przydziału — przydział oznacza powiązanie zasobu z realizowanym zadaniem, podczas gdy planowanie wiąże się z podejmowaniem decyzji odnośnie wyboru zdania, któremu zasób będzie przydzielony.
• Ochrona i autoryzacja dostępu do zasobów: dopuszczanie możliwości użytkowania zasobu tylko przez osoby uprawnione i w zakresie przydzielonych im uprawnień.
• Odzyskiwanie zasobów: dołączanie zwolnionych zasobów do zbioru zasobów wolnych po zakończeniu ich użytkowania.
• Rozliczanie: rejestrowanie i udostępnianie informacji o wykorzystaniu zasobów w celach kontrolnych i rozrachunkowych.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (13)

Zasoby zarządzane przez system operacyjny (^) (2)

• 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

Urządzenia zewnętrzne są stosunkowo wolne, w związku z czym, w celu poprawy efektywności, zarządzanie tymi urządzeniami wymaga odpowiedniej organizacji systemu przerwań oraz buforowania danych, ewentualnie spoolingu. Osobnym zagadnieniem jest zarządzanie urządzeniami pamięci masowej, zwłaszcza odpowiednia organizacja przestrzeni dyskowej oraz optymalizacja ruchu głowic dyskowych.

Informacja jest z punktu widzenia użytkownika najważniejszym zasobem, gdyż jej przetwarzanie jest celem systemu komputerowego. System operacyjny odpowiada za organizację gromadzenia i udostępniania informacji, jej ochronę przed nieuprawnioną ingerencją, spójność w przypadku awarii itp.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (14)

Klasyfikacja systemów operacyjnych

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (16)

Klasyfikacja systemów operacyjnych ze względu na liczbęwykonywanych 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 jednoprogramowe, zwane też jednozadaniowymi, umożliwiają uruchomienie jednego zadania użytkownika, które ewentualnie może być wykonywane współbieżnie z pewnymi procedurami systemu operacyjnego.

Systemy wieloprogramowe (wielozadaniowe) dostarczają mechanizm przełączania kontekstu, umożliwiając w ten sposób zachowanie stanu wykonywania określonego programu (stanu procesu), a następnie odtworzenie stanu wykonywania innego programu (w szczególności innego wykonywania tego samego programu). Przełączenie kontekstu jest skutkiem zwolnienia procesora, które z kolei następuje w wyniku:

• żądania przydziału dodatkowego zasobu,
• zainicjowania operacji wejścia-wyjścia,
• przekroczenia ustalonego limitu czasu (kwantu czasu),
• uzyskania gotowości przez inne zadanie (proces) o wyższym priorytecie.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (17)

Klasyfikacja systemów operacyjnych ze względu na liczbęużytkowników

• Systemy dla jednego użytkownika — zasoby przeznaczone są dla jednego użytkownika (np. w przypadku komputerów osobistych), nie ma mechanizmów autoryzacji, a mechanizmy ochrony informacji są ograniczone.
• Systemy wielodostępne — wielu użytkowników może korzystać ze zasobów systemu komputerowego, a system operacyjny gwarantuje ich ochronę przed nieupoważnioną ingerencją.

W systemach dla jednego użytkownika nie ma problemu autoryzacji, czyli konieczności identyfikowania zleceniodawcy poszczególnych zadań. Mechanizmy ochrony są ograniczone w tym sensie, że nie ma potrzeby ochrony zasobów jednego użytkownika przed drugim użytkownikiem tego samego systemu operacyjnego, ale w czasie powszechności sieci rozległych istnieje jednak problem ochrony zasobów przed ingerencją z zewnątrz.

System operacyjny w przypadku wielodostępu musi zagwarantować, że jeden użytkownik nie jest w stanie zakłócić pracy innych użytkowników. Jest to problem właściwego udostępniania zasobów oraz dostępności mechanizmów ochrony „prywatnych” zasobów jednego użytkownika przed ingerencją innego.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (19)

Zasada działania systemu operacyjnego

System operacyjny jest programem, jednak jego działanie jest dość specyficzne, gdyż musi on nadzorować (monitorować) pracę komputera nawet wówczas, gdy wykonywany jest jakiś program aplikacyjny. Systemy operacyjny musi reagować na błędy w programach aplikacyjnych, porządkować system komputerowy po awariach, z kolei błędy w kodzie jądra systemu operacyjnego mogą zdestabilizować funkcjonowanie całego systemu komputerowego.

Działanie współczesnych systemów operacyjnych jest rezultatem ewolucji w architekturze sprzętowo-programowej, w której potrzeby w zakresie implementacji pewnych mechanizmów systemu operacyjnego wymuszały wprowadzanie stosownych rozwiązań na poziomie architektury komputera (procesora, jednostki zarządzania pamięcią, układu bezpośredniego dostępu do pamięci, procesorów wejścia-wyjścia itp.). Rozwiązania na poziomie architektury komputera otwierały z kolei drogę do dalszego rozwoju oprogramowania systemowego.

Systemy operacyjne

Wprowadzenie (20)

System operacyjny w ujęciu wielowarstwowym

poziom maszynowy procesora

poziom asemblera

poziom języka zorientowanego problemowo

poziom systemu operacyjnego

poziom mikroarchitektury

Działanie systemu komputerowego można opisywać na różnych poziomach abstrakcji, począwszy od zjawisk fizycznych na poziomie układów półprzewodnikowych, czy też propagacji sygnałów logicznych na poziomie układów techniki cyfrowej. Tak niski poziom abstrakcji jest jednak na ogół mało interesujący dla informatyka, dlatego na najniższym poziomie abstrakcji na slajdzie umieszczona została mikroarchitektura. Poziom mikroarchitektury jest jednak zastrzeżony dla twórców procesorów, natomiast dla programistów systemów komputerowych najniżej dostępny jest poziom maszynowy procesora. Na poziomie tym definiowana jest lista rozkazów procesora, tryby adresowania pamięci, rejestry procesora. Na poziomie tym nie istnieją jednak takie elementy, jak pliki, procesy, mechanizmy komunikacji i synchronizacji. Te elementy uzupełniane są przez system operacyjny, który współtworzy wraz poziomem maszynowym hybrydową warstwę usług dla programów użytkowych. Na bazie tej warstwy budowane są kolejne poziomy abstrakcji, związane z językami programowania niższego lub wyższego poziomu.

W praktyce rzadko kiedy korzysta się bezpośrednio z poziomu maszynowego. Jeśli rzeczywiście istnieje potrzeba pisania programu na tak niskim poziomie, wykorzystywany jest raczej asembler, który nie ogranicza możliwości poziomu maszynowego, a usprawnia tworzenie programu dzięki mnemonikom rozkazów zamiast ich kodów, etykietom zamiast adresów itp.