Operációs rendszerek MINB240

Operációs rendszerek MINB240

Ismétlés

1. előadás Processzusok 1

2

Alapvető hardware komponensek

Alapvető hardware komponensek

Diszk CPU

Diszk

• CPU

Nyomtató

– Végrehajtja az utasításokat – Betölt adatot a memóriából a rendszer buszon keresztül

Nyomtató kezelő

Diszk kezelő

• Eszköz kezelő (Device controller) Rendszer busz

Memória kezelő (Controller)

– – – –

Az eszköz működését ellenőrzi CPU-val párhuzamosan működik Szintén tud betölteni, tárolni a memóriában Regiszterei vagy memóriaként vagy port-ként elérhetők a CPU számára – Megszakításokat adhat a CPU-nak

Memória 3

4

Egyszerű CPU modell

Egyszerű CPU modell • Stack mutató (Stack pointer): SP • Utasítás mutató (Instruction pointer): IP • Státusz regiszter

Fetch-execute ciklus

– Zérus érték – Túlcsordulás, stb Kezdés

Következő utasítás betöltése

Utasítás végrehajtása

• Általános regiszterek

Vége

– Utasítás paraméterei – Minimalizálja a memória elérést 5

Egyszerű CPU modell •

Egyszerű CPU modell PC: Program counter (ahonnan az utasítást be kell tölteni)

Fetch-execute ciklus 1. 2. 3. 4.

6

IP által mutatott helyről az utasítás betöltése Az utasítás végrehajtása IP értékének növelése Ismétlés az 1. lépéstől

IR: Instruction register (a végrehajtandó utasítás)

7

8

Privilegizált mód

Biztonságos regiszterek és utasítások

• Az operációs rendszer védelmének érdekében kettő vagy több CPU működési mód létezik

• Biztonságos akkor, ha:

– Privilegizált (rendszer vagy kernel) mód • Minden utasítás és regiszter elérhető

– Felhasználói mód • Csak „biztonságos” utasítások és regiszterek használhatók

– Csak az alkalmazás állapotát befolyásolja – Nem tud más alkalmazást befolyásolni vagy nem tudja az operációs rendszert befolyásolni – Az operációs rendszer által megadott működési módot (policy) nem tudja áthágni

9

Privilegizált mód

I/O és megszakítások

• Memória hozzáférés is korlátozott 0xFFFFFFFF Kernel mód 0x80000000

0x00000000

10

• I/O események meghatározhatatlan időben történnek (billentyűzet, egér, hálózati kapcsolat, stb) • Honnan tudja a CPU, hogy egy I/O kérést kell kiszolgálni?

Kernel és felhasználói mód

11

12

Megszakítás

Megszakítási modell

• Interrupt • A normál végrehajtási folyamat megszakítása • Egy folyamat felfüggesztése, a folyamathoz képesti külső esemény hatására, olyan módon hogy a folyamathoz vissza lehet térni

Megszakítás letiltva

Kezdés

Következő utasítás betöltése

Utasítás végrehajtása

Megszakítás engedélyezve

Megszakítás ellenőrzése; Feldolgozása

Vége 13

14

Megszakítás kezelő

Megszakítás kezelő

• Egy szoftver mely meghatározza a megszakítás típusát és végrehajtja a szükséges lépéseket • A hardver adja át a vezérlést!! • A megszakítás kezelő az operációs rendszer része

Felhasználói mód

alkalmazás

megszakítás kezelő Kernel mód

15

16

Szekvenciális megszakítások

Egymásba ágyazott megszakítások Felhasználói mód

Felhasználói mód

Kernel mód

Kernel mód

17

18

Megszakítások • A rendszer letiltja a megszakításokat, ha már belépett egy megszakításba • Így a folyamatot a CPU be tudja fejezni • Közbenső megszakítások tárolódnak

Bevezetés

19

20

Operációs rendszer

Operációs rendszer célja • Kényelem

• Egy program mely ellenőrzi az alkalmazások futását

– A számítógép használata kényelmesebb legyen

• Absztrakció

– Erőforrás manager

• Egy interface a hardver és az alkalmazások között – A kiterjesztett gép/virtuális gép

– Hardver független programozás

• Hatékonyság – Lehetővé teszi hogy a számítógépet hatékonyan használjuk

• Fejlődő képes – Lehetővé teszi a fejlesztést

• Védelem 21

„Számítógép szerkezete”

22


Felhasználói mód

Felhasználói mód

Alkalmazás

Alkalmazás

Alkalmazás

Alkalmazás

Alkalmazás

Alkalmazás

Rendszer könyvtár

Rendszer könyvtár

Rendszer könyvtár

Rendszer könyvtár

Rendszer könyvtár

Rendszer könyvtár


Operációs rendszer CPU és eszköz Hardware

Hardware Kernel mód

Kernel mód 23

regiszterek, portok betöltésével és kiolvasásával, megszakításokkal kommunikálnak

24



Felhasználói mód

Felhasználói mód Alkalmazás

Alkalmazás

Könyvtár (library) függvények hívásával kommunikálnak

Rendszer könyvtár

Rendszer könyvtár


Rendszer hívások (system call)


Hardware

Hardware

Kernel mód

Kernel mód 25

Operációs rendszer szoftver

26

Kernel

• Alapvetően egy hagyományos számítógépes szoftver – Egy program amit végre kell hajtani – Több jogosultsága van

• Az operációs rendszer feladja a CPU ellenőrzését, hogy más program futhasson

• Az operációs rendszer azon része, mely privilegizált módban fut • A memóriában helyezkedik el • Alapvető és leggyakrabban használt funkcionalitást implementál

– Visszakapja a kontrolt • Rendszer hívásokkal (system call) • Megszakításokkal (interrupt) 27

28

Operációs rendszer koncepciók • • • • •

Processzusok, egyszerűen

Processzusok Ütemezés, holtpont Memória kezelés Fájlrendszerek Bevitel-Kivitel

• A végrehajtás alatt álló program • Három részből áll

Verem

– Kód szegmens Hézag

• A végrehajtható utasítások

– Adat szegmens • Globális változók

Adat

– Verem (stack) • Lokális változók • Hívási lista

Kód

29

30

Függvényhívás

Függvényhívás

void f3(int a3) { printf(”%d”,a3); }


void f2(int a2) { f3(a2); a2 = (a2+1); }

void f2(int a2) { f3(a2); a2 = (a2+1); }

SP

void f1() { int a1 = 1; int b1; b1 = f2(a1); }

a1 b1

1 akármi

SP

void f1() { int a1 = 1; int b1; b1 = f2(a1); } 31

32

Függvényhívás a1

void f3(int a3) { printf(”%d”,a3); } void f2(int a2) { f3(a2); a2 = (a2+1); }

b1

Függvényhívás

1 akármi visszatérési cím 1 (argumentum)

a1


SP

void f1() { int a1 = 1; int b1; f2(a1); }

b1 a2

1 akármi visszatérési cím 1

SP

void f1() { int a1 = 1; int b1; f2(a1); } 33

34

Függvényhívás a1 b1


a2 SP

Függvényhívás

1 akármi visszatérési cím 1 visszatérési cím 1 (argumentum)

a1 b1



a2 a3

1 akármi visszatérési cím 1 visszatérési cím 1

SP


36



b1 a2 a3

Függvényhívás

1 akármi visszatérési cím 1 visszatérési cím

void f2(int a2) { f3(a2); a2 = (a2+1); }

1

SP


b1 a2 a3

1 akármi visszatérési cím 1 visszatérési cím 1

SP


Ekkor is függvényhívás történik, de most ignoráljuk.

37

38



a1


a2

Függvényhívás

1 akármi visszatérési cím 1 visszatérési cím

a1 b1


SP


a2


SP


40



b1 a2

Függvényhívás


a1


SP


b1

1 akármi visszatérési cím

SP




42

Rendszer hívások

1 akármi

• Egy processzoros gép egy időben egy utasítást hajt végre • Rendszer hívás esetén „csapdát” állít vagy „rendszerhívó utasítást” hajt végre • Paraméterek segítségével dönthető el, hogy mit kell csinálni

SP


44

Rendszer hívások

Rendszer hívás típusok

• Úgy is tekinthetjük, mint speciális függvényhívás – Ellenőrzött belépés a kernelbe – Míg a kernelben futnak, privilegizált utasításokat is végrehajthatnak – Visszatérnek az eredeti híváshoz

A rendszer hívások adják lényegében az operációs rendszer által definiált absztrakt gépet

• • • • • •

Processzus kezelés Szignálok Fájlkezelés Könyvtár és fájlkezelés Védelem Időkezelés

45

46

Processzus kezelés

Fájlkezelés

• Gyermekprocesszus létrehozása

• • • • • • •

pid = fork()

• Gyermek megszűnésére várakozás pid = waitpid(pid, status, opts)

• A gyermek memóriatérképének felülírása s = execve(name, argv, envp)

• A processzus végrehajtásának befejezése

Új fájl létrehozása Fájl megnyitása olvasásra, írásra Adat olvasása fájlból Adat írása fájlba Fájl mutató mozgatása Fájl állapotinformációk lekérése ...

exit(status) 47

48

Könyvtár és fájlkezelés • • • • • • •

Unix és Win32

Új könyvtár létrehozása Üres könyvtár megszüntetése Fájlrendszer csatolása Fájlrendszer lecsatolása Egy új bejegyzés (link) létrehozása Egy bejegyzés megszüntetése ...

49

Rendszer hívás mechanizmusa 1. • Processzor mód

50

Rendszer hívás mechanizmusa 2. • Regiszterek

– Felhasználói módból Kernel módba lép

– Bizonyos regiszterek megmaradnak a Kernel szintű bélépésnél – Rendszerhívás típusát tárolja – Rendszerhívás paramétereit tárolja

• SP – Felhasználói SP-t elmenti, Kernel szintű SP-t inicializálja (helyreállítja)

• IP – Felhasználói IP-t elmenti, Kernel szintű IP-t helyreállítja

51

52

Miért kellenek a rendszerhívások?

Rendszerhívás lépései Felhasználói alkalmazás

• Miért nem egyszerűen egy függvényhívással ugrunk a kernelbe?

1

Paraméterek verembe

2

Függvény hívás 9

Verem helyreállítása

– Az egyszerű függvény hívás: 3

• Nem vált kernel módba • Nem tudja korlátozni a belépési pontokat

libC API

Rendszerhívás

8

Kód regiszterbe Csapda kernelnek Visszatérés a hívóhoz

4. Rögzített címen kezdve a végrehajtást Kernel terület Operációs rendszer

5 továbbküldés

Táblázatból választás

6

7

RendszehívásKezelő Munkavégzés

53

54

Uniprogramozás

Processzusok

várakozás

várakozás Program A

futás

futás

Idő

A programnak várakoznia kell az I/O utasítások végrehajtására mielőtt továbbfuthatna 55

56

Multiprogramozás vár

Program A

futás

Program B

vár

Kombinált

futás futás

futás

futás

vár futás

vár

futás futás

vár

vár vár

Multiprogramozás Program A

futás

Program B

vár

Program C

vár vár

futás vár

futás

vár

futás

futás vár

vár futás vár

Idő Kombinált Amíg egy programnak várakoznia kell az I/O végrehajtására egy másik program futhat

futás futás futás vár futás futás futás vár Idő

57

58

Időosztás

Processzus

• Multiprogramozás használata, hogy egyszerre több akár interaktív programot is kezelni lehessen • Processzor ideje megosztott több felhasználó között

• Végrehajtás alatt álló program – Utasításszámláló – Regiszterek – Változók aktuális értéke (környezet)

• Egy olyan „entitás”, amit hozzá lehet rendelni és végre lehet hajtani egy processzoron • Nyomonkövethető • (task, job) 59

60

Processzusok

Processzusok

Egy utasításszámláló

Processzusok Négy utasításszámláló

D

A

C

B A C D

B

B C

D

A

• Elvileg minden processzusnak saját virtuális CPU-ja van. • Valóságban egy CPU kapcsolgat a processzusok között. (Multiprogramozás)

Idő

Minden processzus végrehajtódik, de egyszerre csak egy processzus aktív, fut !!!

61

Processzusok, nyomonkövetés

62

Nyomonkövetés

63

64

Nyomonkövetés

Két-állapotú processzus

Szürke részek micsodák?

Processzus két állapotban lehet:

Processzus kezelő, indító

• Futó • Nem futó

(Dispatcher)

elindít (dispatch) belépés

kilépés nem fut

65

Nem futó processzusok

fut

leállít, várakoztat (pause)

66

Processzusok • Ütemező (dispatcher, scheduler)

belépés

Sor (queue)

elindít

– Operációs rendszer legalsó szintje – Processzus indítás, megállítás, megszakításkezelés Processzor

kilépés Processzusok

leállít (pause)

Ütemező 67

68

Processzus létrehozása

Processzus létrehozása, gyakorlatban

• Egyszerű rendszer: kezdetben minden processzust létrehozunk • Általános célú rendszer:

• Felhasználó bejelentkezik • Szolgáltatás használata, pl. nyomtatás • Program elindít egy másikat

– Működés közben kell létrehozni

• Négy esemény hatására jöhet létre processzus: – – – –

A rendszer inicializálása A processzust létrehozó rendszerhívás létrehozása A felhasználó egy processzus létrehozását kéri Kötegelt feladat (batch job) kezdeményezése 69

Processzus létrehozása

70

Processzus létrehozása, MINIX

• Rendszer induláskor több processzus keletkezik • Előtérben fut – Felhasználókkal tartják a kapcsolatot

• Processzus létrehozása fork rendszerhívással • Elkészíti a processzus tökéletes másolatát – Ugyanaz a memóriakép, környezeti változók

• A gyermek processzus végrehajt egy execve rendszerhívást. Ezzel megváltoztatja a memóriaképet • A szülő és gyermek külön címtartománnyal rendelkezik, de osztozhatnak bizonyos erőforrásokon

• Hátterben fut – „Nincs felhasználóhoz kötve” – Sajátos feladatuk van – démonok (daemon)

71

72

Processzus hierarchia

Processzus befejezése

• Szülő létrehoz egy gyerek processzust • A gyerek processzus is létrehozhat további processzusokat • Hierarchia jön létre

• • • •

Szabályos kilépés (önkéntes) Kilépés hiba miatt (önkéntes) Kilépés végzetes hiba miatt (önkéntelen) Egy másik processzus megsemmisíti (önkéntelen)

– Unix: processzus csoportok

• Windows alatt nincs hierarchia – Minden processzus egyenlő

73

74

Processzus befejezése, gyakorlatban • Időkorlát lejárt • Nincs több memória • Matematikai hiba

Processzus állapotok • Futó – Végrehajtás alatt áll, CPU-t használja

• Blokkolt – Logikailag nem lehet folytatni,

– Zérussal osztás

• Érvénytelen utasítás • Operációs rendszer leállítja (holtpont elkerülés) • Szülő leállítja

75

• mert rendszerint bemenetre vár

• Futásra kész – Elvileg készen áll, futásra képes

76

Processzus állapotok futó

1

Processzus állapotok

2 belépés

3 blokkolt

futásra kész sor

elindít

futásra kész 4

Processzor

kilépés

timeout (idő lejárt)

1. A processzus eseményre várva blokkolt blokkolt sor

2. Az ütemező másik processzust szemelt ki

eseményre vár

esemény bekövetkezett

3. Az ütemező ezt a processzust szemelte ki 4. Az esemény bekövetkezett 77

78

Unix processzus állapotok

Unix processzus állapotok • • • • • • • • •

79

User running: Felhasználói módban fut Kernel running: Kernel módban fut Ready to run in memory: Futásra kész, az ütemező bármikor kiválasztahtja Asleep in memory: Nem lehet futtatni amíg egy esemény be nem következik (blokkolt állapot) Ready to run, swapped: Futásra kész, de még a memóriába kell helyezni Sleeping, swapped: Nem lehet futtatni amíg egy esemény be nem következik (blokkolt állapot). Lemezre kimásolta a rendszer Preempted: Processzus kernel módból felhasználói módba tér vissza, de a kernel egy másik processzust választ ki Created: A processzus létrejött, de még nem képes futni Zombie: A processzus többé nem létezik, de még hátrahagy információt a szülő processzusnak.

80

Processzus állapotok

Táblázatok

• Minden processzus aktuális állapotáról információt kell tárolni – – – – – –

Processzus kép

Memória táblázat

Memória Eszközök

I/O táblázat

Fájlok

Utasításszámláló Veremmutató Lefoglalt memória Megnyitott fájlok állapota Elszámolási és ütemezési információ Egyéb

Processzus 1.

Processzusok Fájl táblázat

Elsődleges processzus tábla

Processzus 1. Processzus 2. Processzus 3.

• Az operációs rendszer táblázatban tárolja az információt

... 81

Processzus táblázat

Processzus n.

Processzus n.

82

Processzus azonosító

• Egy bejegyzés: processzus vezérlő blokk (Process Control Block, PCB) • Processzus azonosító • Processzus állapot információ • Processzus kontrol információ

83

• Process identifier, proc ID • Numerikus érték (szám) • Tartalmazza – Ennek a processzusnak az azonosítója – A létrehozó processzus azonosítója (parent id) – Felhasználó azonosító

84

Processzus állapot információ

Processzus kontrol információ

• Regiszterek – – – –

• Ütemezési információ • Processzus állapota

Utasításszámláló Állapot regiszter Verem mutató Általános regiszterek

– futó, blokkolt, futásra vár

• Prioritás – Aktuális – Maximális

• Hátralévő ütemezett idő • Felhasznált CPU idő 85

Megszakítás • • • •

86

Multitasking

„Egyszerre futó processzusok illúziója” Multitasking Egy CPU Több I/O eszköz

• Egy processzus fut • Hardware

– Egy I/O eszközosztályhoz Æ megszakításleíró tábla – Tábla bejegyzései Æ megszakításvektor – Megszakításvektor: megszakítást kiszolgáló eljárás címe – Időzítő, óra is egy eszköz! 87

– Egy megszakítás következik be, hardware eszköz jelez – Megszakításokat letíltja – A megszakítás hardware az aktuális veremben tárolja: • Utasításszámláló • Programállapot szó • Egy vagy több regiszter

– A megszakításvektorban megadott címre ugrik 88

Multitasking

Multitasking

• Megszakítás kiszolgáló

• Ütemező eldönti melyik processzus fusson legközelebb

– Processzus száma és a mutató globális marad (gyorsabban elérhető) – Csak assembly tudja megtenni • Összes regisztert elmenti az aktuális processzus PCB-be • A megszakítás által tárolt változók kikerülnek a veremből és egy ideiglenes vermet állít be (processzus kezelő használja)

– C program

– A megaszkításra váró processzus pl. futásra várakozóvá válik, kiválasztható – Prioritást is figyelembe kell venni – Ütemezési sorok frissítése

• A C program visszatér

• Végrehajtja a megszakítást kiváltó műveletet, pl. beolvas az eszközről 89

Multitasking

90

Mikor vált processzust?

• Az assembly kód elindítja az új (vagy ugyanazt a) processzust – Regiszterek helyreállítása – Verem beállítása

• Óra megszakítás – Maximálisan felhasználható idő lejárt

• I/O megszakítás • Csapda (trap) – Matematikai hiba

91

92

Processzus, vezérlési szál (thread) • Rendelkezik utasításszámlálóval, amelyik nyilvántartja, hogy melyik utasítás végrehajtása következik • Regiszterei tárolják a munkaváltozókat • Verem a végrehajtás eseményeit tárolja

93

Operációs rendszerek MINB240

Recommend Documents