Operációs Rendszerek II. Első előadás Első verzió: 2004/2005. I. szemeszter Ez a verzió: 2009/2010. II. szemeszter
Bemutatkozás Bringye Zsolt E-mail: Bringye.zsolt@nik.bmf.hu Web: http://www.bringyezsolt.hu
A szemeszter anyaga Történeti áttekintés, fejlődés mozgatórugói Operációs rendszerek leírása Folyamatok és szálak (ütemezés, stb.) Memóriakezelés I/O kezelés és diszkek Fájlrendszerek, fájlok Elosztott rendszerek
Felkészülés, számonkérés Vizsga anyaga: előadáson elhangzottak Rajzok (pl. állapottér) Algoritmusok (egyszerű, beszélt nyelven) Több megoldás (algoritmus) összevetése Nem lesz: konkrét nevek, évszámok, típusok De: időszak, gyártmány (cég) lehet! Előadás diák letölthetők (lesznek nemsokára) Miért teszt alapú a számonkérés?
Mai nap témái Mi az, hogy operációs rendszer? Black-box leírás Rövid történet A fejlődés mozgatórugói
Mi az operációs rendszer? An operating system (OS) is a computer program that manages the hardware and software resources of a computer. At the foundation of all system software, the OS performs basic tasks such as controlling and allocating memory, prioritizing system requests, controlling input and output devices, facilitating networking, and managing files. It also may provide a graphical user interface for higher level functions. It forms a platform for other software (Wikipedia) 6
Mi az operációs rendszer? An operating system (OS) is a computer program that manages the hardware and software resources of a computer. At the foundation of all system software, the OS performs basic tasks such as controlling and allocating memory, prioritizing system requests, controlling input and output devices, facilitating networking, and managing files. It also may provide a graphical user interface for higher level functions. It forms a platform for other software (Wikipedia) 6
Mi az operációs rendszer? An operating system (OS) is a computer program that manages the hardware and software resources of a computer. At the foundation of all system software, the OS performs basic tasks such as controlling and allocating memory, prioritizing system requests, controlling input and output devices, facilitating networking, and managing files. It also may provide a graphical user interface for higher level functions. It forms a platform for other software (Wikipedia) 6
Mi az operációs rendszer? An operating system (OS) is a computer program that manages the hardware and software resources of a computer. At the foundation of all system software, the OS performs basic tasks such as controlling and allocating memory, prioritizing system requests, controlling input and output devices, facilitating networking, and managing files. It also may provide a graphical user interface for higher level functions. It forms a platform for other software (Wikipedia) 6
Mi az operációs rendszer? master control program in computer: the essential program in a computer that maintains disk files, runs applications, and handles devices such as the mouse and printer (MSN Encarta) Olyan program, amely közvetítőként működik a felhasználó és a számítógép hardvere között (Kóczy-Kondorosi, 2000)
Mi az operációs rendszer? A számítógép hardver elemei és az (alkalmazói) programok közötti szoftver réteg, amely biztosítja a hardver komponensek (erőforrások) hatékony használatát Az operációs rendszer elfedi a hardver sajátosságait, egyfajta virtuális gépként jelenik meg a felsőbb rétegek számára
Black-box leírás Nem érdekel, mi van belül, az interfészek megadásával írom le a vizsgált valamit
Black-box leírás Nem érdekel, mi van belül, az interfészek megadásával írom le a vizsgált valamit
Felhasználói interfész Ember-gép kapcsolat, tipikus formájában képernyő, billentyűzet és (manapság) valamilyen pozicionáló eszköz segítségével A k ü l ö n f é l e f e l h a s z n á l ó i c s o p o r t o k (végfelhasználó, programozó, rendszer admin) elvárásai eltérőek, ez a különbség általában az interfészben is tapasztalható
Felhasználói csoportok Végfelhasználók Napi tevékenységükhöz szükséges alkalmazásokat használnak, operációs rendszerrel minimális a közvetlen kapcsolatuk Fejlesztők (alacsony szintű megoldások) Operációs rendszer által biztosított virtuális gépen fejlesztenek Operációs rendszeri eszközöket (is) használnak (utility-k) Rendszer adminisztrátorok Operációs rendszer működését felügyelik, hangolják Folyamatos állapot információkkal kell rendelkezniük A működésbe is beavatkoz(hat)nak
Felhasználói felületek Grafikus és karakteres felületek egyaránt használatosak A karakteres felület lehet parancssoros és menü alapú Egy rendszernek lehet többféle felülete is A végfelhasználók esetén szinte csak grafikus felület, de a többi csoportban is használják Feladatok összekapcsolása sokszor hasznos l e h e t, e z j e l l e m z ő e n p a r a n c s s o r o s megoldásoknál használatos
Felhasználói felületek Grafikus és karakteres felületek egyaránt használatosak A karakteres felület lehet parancssoros és menü alapú Egy rendszernek lehet többféle felülete is A végfelhasználók esetén szinte csak grafikus felület, de a többi csoportban is használják Feladatok összekapcsolása sokszor hasznos l e h e t, e z j e l l e m z ő e n p a r a n c s s o r o s megoldásoknál használatos
Felhasználói felületek Grafikus és karakteres felületek egyaránt használatosak A karakteres felület lehet parancssoros és menü alapú Egy rendszernek lehet többféle felülete is A végfelhasználók esetén szinte csak grafikus felület, de a többi csoportban is használják Feladatok összekapcsolása sokszor hasznos l e h e t, e z j e l l e m z ő e n p a r a n c s s o r o s megoldásoknál használatos
Felhasználói felületek Grafikus és karakteres felületek egyaránt használatosak A karakteres felület lehet parancssoros és menü alapú Egy rendszernek lehet többféle felülete is A végfelhasználók esetén szinte csak grafikus felület, de a többi csoportban is használják Feladatok összekapcsolása sokszor hasznos l e h e t, e z j e l l e m z ő e n p a r a n c s s o r o s megoldásoknál használatos
Alkalmazási Programozói Felület Az operációs rendszer, mint virtuális gép utasításkészlete (a számítógép utasításkészletének kiterjesztése) Tipikusan rendszerhívásokon keresztül érhető el A programozói nyelvek tipikusan elfedik ezt a felületet (még a C is hiszen itt is C függvényhívásokat, nem pedig rendszerhívásokat használunk), de a saját szolgáltatás-készletüket erre alapozzák
Hardver Interfész Különféle hardver elemek kezelése Hatékonyság Hardverek sokaságának támogatása Képesség a fejlődésre (új fajta hardverek) Hibakezelés
Interfészek, határok
Interfészek, határok
Interfészek, határok
Operációs rendszerek fejlődése Operációs rendszer nélküli idők Egyszerű kötegelt rendszerek Multiprogramozott kötegelt rendszerek Időosztásos rendszerek Személyi számítógépek Specialitások: valós idejű és elosztott rendszerek Specialitások: PDA-k, okos telefonok és társaik
Operációs rendszer nélkül A kezdeti idők (40-es évek végétől az 50-es évek közepéig) teljesen manuális megoldása Kézi ütemezés (foglalási tábla) lehet, hogy programot ki kellett lőni, de az is lehet, hogy a gép üresen állt A program indítása jelentős időt vett el a hasznos működéstől Feladat: rendszer kihasználtságának növelése
Egyszerű kötegelt feldolgozás 50-es évek közepe, GM (IBM platformra) A rendszer vezérlése nem manuálisan, hanem egy program által (rezidens monitor) történik A futtatandó program kártyáit a monitornak szóló leírással (JCL) együtt előre be kellett tárazni A megvalósítás feltételei: Memória védelem (monitor meg tudja védeni magát) Időzítő (timer), megszakítások (később) Privilegizált utasítások (monitor megkerülése ellen) végrehajtási módok (user, kernel) megjelenése
Egyszerű kötegelt feldolgozás 50-es évek közepe, GM (IBM platformra) A rendszer vezérlése nem manuálisan, hanem egy program által (rezidens monitor) történik A futtatandó program kártyáit a monitornak szóló leírással (JCL) együtt előre be kellett tárazni A megvalósítás feltételei: Memória védelem (monitor meg tudja védeni magát) Időzítő (timer), megszakítások (később) Privilegizált utasítások (monitor megkerülése ellen) végrehajtási módok (user, kernel) megjelenése
Egyszerű kötegelt feldolgozás 50-es évek közepe, GM (IBM platformra) A rendszer vezérlése nem manuálisan, hanem egy program által (rezidens monitor) történik A futtatandó program kártyáit a monitornak szóló leírással (JCL) együtt előre be kellett tárazni A megvalósítás feltételei: Memória védelem (monitor meg tudja védeni magát) Időzítő (timer), megszakítások (később) Privilegizált utasítások (monitor megkerülése ellen) végrehajtási módok (user, kernel) megjelenése
Multiprogramozott kötegelt feldolg. 60-as évek közepétől A kötegelt feldolgozás nem segített a processzor futás közbeni üresjáratain (I/O-ra várakozás) Egy időben több program található a memóriában, ezek közül választjuk ki azt, amelyik futhat Feltételek Memória menedzsment (több program a memóriában) Megszakítások
Időosztásos rendszerek A kötegelt rendszerek bizonyos feladatokra (pl. tranzakció feldolgozás) alkalmatlanok, viszont a számítógépek túl drágák, hogy egyetlen ember használja őket Az interaktív felhasználók (programjaik) időszeleteket kapnak Egyik első megvalósítás: CTSS, MIT 60-évek eleje Terminálok elterjedése
Kötegelt vs. Időosztásos Kötegelt feldolgozás Időosztásos rendszerek Optimalizálás alapja Rendszer vezérlése Processzor kihasználtság maximalizálása JCL nyelvű programok Válaszidők minimalizálása Terminálról ad-hoc bevitt parancsok
Személyi számítógépek Olcsó, tömegesen elterjedt rendszer Kifejezetten személyi (single user) használatra Kezdetben korlátos erőforrások, de ma már nem Erőforrások kihasználása nem szempont, felhasználói élmény fokozása a cél A felhasználók informatikai képzettsége sokkal alacsonyabb, mint a korábbi rendszereknél
Valós idejű rendszerek Nem új történet, de korábban csak specializált területeken Megkülönböztetünk hard és soft rendszreket, a közkedvelt rendszerek gyakorlatilag csak az utóbbi kategóriát teljesítik Hard real-time rendszerek esetén komoly matematikai háttér
Elosztott rendszerek A szükséges számítási teljesítményt és/vagy megbízhatóságot nem drága, egyedi rendszerekkel, hanem több (sok) olcsó rendszer együttműködésén alapuló megoldásokkal biztosítjuk Igazán kényelmes használatuk újfajta operációs rendszereket (is) igényelne, ezek még inkább csak kutatási fázisban találhatók meg Feladtokat jelenleg alkalmazás és/vagy middleware szinten oldjuk meg
PDA-k, Okos telefonok, stb. A klasszikus számítógépektől eltérő használati mód, eltérő hardver képességekkel (perifériák képességei, rendelkezésre álló erőforrások) Méret, fogyasztás kritikus Itt is vannak operációs rendszerek Windows Mobile Symbian Palm OS Linux
Hardver Néhány szó a hardverről Processzor Memória I/O
Processzor Néhány szó a hardverről Processzor Utasítások végrehajtása (utasításkészlet) Utasítások forrása: központi memória Regiszterek (általános célú, státusz és vezérlő) További adatok tárolása: központi memória Megszakítások (hw. és sw.) Memória I/O
Memória Néhány szó a hardverről Processzor Memória Utasítások és adatok tárolása Stack terület RAM és NVRAM (ROM) részek I/O
I/O Néhány szó a hardverről Processzor Memória I/O Típusok Másodlagos tároló Humán interfész Gép-gép kapcsolat Szélsőséges sávszélesség igények
Operációs rendszerek és a hardver Vizsgálat keretei Esetek Nincs operációs rendszer Minimál operációs rendszer Multiprogramozás Értékelési szempontok Operációs rendszer szolgáltatásai Processzor, memória, I/O kezelése Védekezés hibás, rosszindulatú kódoktól Környezet változására való érzékenység
Nincs operációs rendszer Operációs rendszer szolgáltatásai: nincs! Rendszer indításakor a program feladata az inicializálás (Legalább részben) NVRAM-ból kell futnia CPU beállítások (opcionális) Perifériavezérlő áramkörök inicializálása Teljes kontroll az összes hardver elem felett (beleértve a processzort is)
Nincs OS - értékelés Processzor, memória, I/O kezelése Teljes mértékben egyéni megvalósítás Védekezés hibás, rosszindulatú kódoktól Amit a programozó beépít, nincsenek társak (csak önmagától kell megvédenie magát) Környezet változására való érzékenység Amit a programozó beépít (jellemzően rendkívül nagy lehet)
Minimál operációs rendszer Rendszer indítás és inicializálás Minimális parancs interfész (CLI, batch) Loader funkció, program lehet másodlagos tárolón vagy távoli helyen (tftp) a betöltés után a vezérlés alapvetően a programnál van Opcionálisan: sokat használt funkciók megvalósítása (kezdetleges virtuális gép!) Perifériák kezelése (tip. megszakítás alapon)
Minimál OS értékelés Processzor, memória, I/O kezelése Egyéni megvalósítás, esetleg I/O esetén minimális támogatás (kb. instant eljárások) Védekezés hibás, rosszindulatú kódoktól Amit a programozó beépít, nincsenek társak Az OS védtelen a programtól ( MS DOS éra) Környezet változására való érzékenység Alapvetően nagy, de mértéke az instant eljárások segítségével csökkenthető
A minimál OS világán túl Multiprogramozott rendszerek A rendszer egyetlen program általi kisajátítása nem szerencsés Régen: drága a számítógép idő Kötegelt: egyetlen program ált. nem tudja folyamatosan kihasználni a rendszer erőforrásait (pl. I/O-ra vár) Időosztásos: a számítógépek túl drágák voltak ahhoz, hogy egy időben egyetlen ember használja őket Ma: hatékonyság A PC felhasználók szeretnek egyszerre több dologgal foglalkozni (ugye Önök is) A szerverek egy időben több kliens kérését is ki kell, hogy szolgálják (ezért szerverek)
A minimál OS világán túl Multiprogramozott rendszerek Egy időben több kód fut (látszólag vagy valóban) A programok versenyeznek a számítógép erőforrásaiért (processzor, memória, I/O) Kódok az operációs rendszerre, egymásra és önmagukra is veszélyt jelenthetnek
Több program egyidejű futtatása Kötegelt rendszerek esetén a rendszer terhelését maximalizáljuk Interaktív rendszerek esetén a válaszidőt kell kordában tartani, a programok között periodikusan kell váltani (a felhasználók egymást nem akadályozhatják) Szerverek: itt is fontos a válaszidő, de nem közvetlen felhasználói interakcióban, hanem gép-gép szolgáltatásban PC-k: egy felhasználó több programjára igaz
Váltás programok között Programok közötti váltás: ki birtokolja a processzort? ütemezés A (vissza) váltás után a program a futását ott folytassa, ahol korábban abbahagyta (hasonlót már láttunk megszakítások) A processzor birtoklásán túl egyéb problémák is adódnak: Memóriakezelés I/O kezelés
Memóriakezelés A processzor csak a központi memóriában található kódhoz/adathoz fér közvetlenül hozzá Programok (adatok) folyamatos mozgatása a másodlagos tárolóról/ra jelentős erőforrás és időigényt jelentene, ezalatt a processzor semmittevésre kényszerül Egy időben több programot kell a memóriában tartani egyetlen program sem sajátíthatja ki a memóriát A memóriamenedzsment az operációs rendszer feladata, meglehetősen összetett probléma (foglalási módok, relokáicó)
I/O kezelés Minden programnak úgy kell éreznie, hogy csak övé a gép interferencia nem lehetséges Az operációs rendszernek kell felügyelnie az I/O kezelést úgy, hogy a programoknak ne kelljen egymással törődniük Megosztható és nem megosztható erőforrások Nem megosztható erőforrás megoszthatóvá tétele Ha az operációs rendszer nem eléggé szigorú egész rendszer hatékonysága múlhat egyes programok jólneveltségén
Védelem Az operációs rendszer védje meg magát és a programokat egymástól Memória védelme Kontroll memória műveletek (címek) alapján Bizonyos utasítások letiltása a programnak (pl. amivel a memória védelmet lehet befolyásolni vagy perifériához hozzáférni) Hardver támogatás nélkül nem lehet hatékonyan megoldani (esetleg emulációval, lassú) Memória védelmi rendszer Legalább kétféle CPU üzemmód: privilegizált az OS és normál a user kód számára (korlátozott) Átjárás a két mód között: szoftver megszakítások
Operációs rendszeri szolgáltatások Virtualizáció, az eredeti utasításkészlet kibővítése Elsődlegesen I/O menedzsment (most) Logikai perifériák Másodlagos tároló: fájlok, fájlrendszerek Humán interfész: csatornák (input, output) Gép-gép kapcsolat: csatornák Absztrakciós szint eltérő lehet
Multiprogramozott OS értékelés Processzor, memória, I/O kezelése Virtualizált környezet Védekezés hibás, rosszindulatú kódoktól A folyamatok csak a saját címterükben futhatnak (önmagukat igen, másokat nem károsíthatnak) Az élet nem ennyire egyszerű Nem megfelelő (védelmi) rendszerbeállítások Hibák, hibák, hibák Környezet változására való érzékenység Alapvetően az operációs rendszer szintjén jelentkezik Valós és virtuális erőforrások minél teljesebb szétválasztása Ha az OS nem kezeli a változást, alkalmazás szintről nem (vagy nagyon nehezen) lehet rajta segíteni
Miért hibás, késik? A funkciók bővülése, a támogatandó hardverek körének bővülése az operációs rendszerek komplexitásának jelentős növekedését eredményezte Az egyik első időosztásos rendszer, a CTSS (1963, MIT) 32 000 utasításból állt Az egy évvel később bemutatott OS/360 (IBM) mérete már 1 millió+ sort tartalmazott 1975-re a Multics rendszer mérete meghaladta a 20 millió programsort Az NT 4 mérete 16 millió+ sor, a Windows 2000 ennek több, mint kétszerese volt Ettől a kezdetben kicsi és egyszerű Unix mai mérete sem marad el A Linux mérete is jelentősen növekedett a kezdetekhez képest
A méret következményei Nehezen menedzselhető fejlesztés A kiadások jellemzően késnek A rendszerben mindig vannak hibák, a javítások (bizonyos hibák megszüntetésén túl) nem egyszer újabb hibákat generálnak A teljesítmény sokszor nem éri el az elvárt szintet A r e n d s z e r s é r ü l é k e n y ( b i z t o n s á g i fenyegetések) A rendszer struktúrája fontos kérdés!
Változás mozgatórugói Meglévő kód javításán, optimalizálásán túl... Funkcionalitás Fájlrendszer funkciók (locking, quota, ACL) Hálózati szolgáltatások Snapshot (fájlrendszer)
Változás mozgatórugói Funkcionalitás Teljesítmény, hardver fejlődése Új hardver-technológiák (RAID, SMP) Új hardver eszközök, családok támogatása Teljesítmény jellemzők változása (pl. SSD) Eszközök egymáshoz képesti teljesítményének változása
Változás mozgatórugói Funkcionalitás Teljesítmény, hardver fejlődése Minőségi elvárások, megbízhatóság Adatvesztés rendszerösszeomlás esetén Helyreállási idő (hiba után) Működés hibák során
Változás mozgatórugói Funkcionalitás Teljesítmény, hardver fejlődése Minőségi elvárások, megbízhatóság Paradigmaváltás, új alkalmazások Kliens-szerver alkalmazások Szálak Real-time elvárások (pl. média szerverek)