Operációs rendszerek

Operációs rendszerek

1. előadás – definíciók 2007/2008. I. félév Dr. Török Levente

 

 

A tárgy célkitűzése ●

●

Megismerjük –

a különböző architektúrák és működtető rendszereket viszonyát

–

a felmerülő problémákat és megoldásaikat

Megtanuljuk –

sokféle standard operációs rendszer készség szintű használatát,  de ezek közül különös figyelmet szentelünk a unix kompatibilis  rendszerek és ezen belül a linux operációs rendszerre.

 

 

Elvárt előismeretek ●

A C/C++ programozás nyelv készség szintű  ismerete.

 

●

Angol nyelv olvasási képessége

●

Számítógép architektúrák II. és a 

●

Digitális technika II. tárgyak teljesítése  

minimális C/C++ teszt feladatok ●

●

●

●

●

 

készítsen programot, ami beolvas egy string­et a standard input­rol és kiírja  standard outputra. készítsen programot, ami lemásol egy bináris illetve egy text file­t. készítsen egy programot, ami beolvas egy számot a bemenetről és kiírja  képernyőre prím felbontását készítsen programot, amely numerikusan integrál egy olyan polinomot,  amelynek a fokszámát és együtthatóit a billentyűzetről kapja meg. készítsen egy programot, ami előállítja, ami megkeresi városok között azt  minimális úthosszat, ami minden várost érint. A városok közötti távolságok  egy mátrixban vannak letárolva.  

példa minimális angol nyelv  ismeretére

      The fopen() function opens the file whose name is the string pointed to by path and associates a stream with it.        The argument mode points to a string beginning with one of the following sequences (Additional characters may follow these sequences.):        r      Open text file for reading.  The stream is positioned at the beginning of the file.        r+     Open for reading and writing.  The stream is positioned at the beginning of the file.        w      Truncate file to zero length or create text file for writing.  The stream is positioned at the beginning of the file.        w+     Open  for reading and writing.  The file is created if it does not exist, otherwise it is truncated.  The stream is positioned at the  beginning of the file.        a      Open for appending (writing at end of file).  The file is created if it does not exist.  The stream is positioned at the end of the file.        a+     Open for reading and appending (writing at end of file).  The file is created if it does not exist.  The initial file position for reading is  at   the beginning of the file, but output is always appended to the end of the file.        The  mode  string  can  also  include  the letter ’b’ either as a last character or as a character between the characters in any of the two­ character strings  described above.  This is strictly for compatibility with C89 and has no effect; the ’b’ is ignored on all POSIX conforming  systems, including Linux.  (Other  systems  may treat text files and binary files differently, and adding the ’b’ may be a good idea if you do  I/O to a binary file and expect that your program may be ported to non­Unix environments.)        Any created files will have mode S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH (0666), as modified by the process’s  umask value (see umask(2)).        Reads and writes may be intermixed on read/write streams in any order.  Note that ANSI C requires that a file positioning function intervene   between  output   and input, unless an input operation encounters end­of­file.  (If this condition is not met, then a read is allowed to return  the result of writes other than the most recent.)  Therefore it is good practice (and indeed sometimes necessary under Linux) to put an  fseek(3) or fgetpos(3) operation  between  write  and        read operations on such a stream.  This operation may be an apparent no­op (as in fseek(..., 0L, SEEK_CUR) called for its synchronizing  side effect.

 

 

       Opening  a  file  in append mode (a as the first character of mode) causes all subsequent write operations to this stream to occur at end­of­ file, as if pre ceded by an fseek(stream,0,SEEK_END); call.

minimális szg.arch ismeretek

 

–

processzor felépítes

–

user/kernel mode (védett/virtuális)

–

címtartomanyok fogalma: virtuális es fizikai címek,  címképzés, címterület vedelem

–

memória manager unit

–

regiszterek: (legalább 8086­os szinten:  CS,DS,ES,SS, status word)

–

interrupt  

Formális követelmények ●

2 zárthelyi

●

2 nagy feladat (bash és C programozás)

●

●

 

mindegyik kis zárthelyi elfogadott minősítésű  teljesítése vizsga  

Ajánlott irodalomak

●

A tárgy honlapja:

http://gamf.aai.googlepages.com ●

Jegyzet: –

Dr. Vadász Dénes: Operációs rendszerek, Miskolci Egyetemen http://www.iit.unimiskolc.hu/~vadasz/GEIAL202

●

Andres S. Tanenbaum – Albert S. Woodhull: Operaciós rendszerek

●

unix manual (ld. man parancs – gyakorlat) http://www.cab.uszeged.hu/local/doc/UNIX/orlando/bev.html

●

 

Szórakozásul:  http://www.osnews.com  

Ajánlott eszközök ●

●

Tanszéki linux szerver: –

ssh­val érhető el a moria.kefo.hu címen

–

regisztráció szükséges

saját linux egy külön partíción. pl: –

●

Virtuális gépes megoldások: –

●

 VmWare­ben működtetett linux­ok vagy coLinux

Egyéb: –

 

ubuntu, opensuse, debian, fedora

távoli linux szerver (pl. moria) + Cygwin  

Melyik op. rendszert használjuk? –

Windows? ●

–

–

OS X – Apple? ●

kevés van belőle, drága a hw,

●

unix az alapja

Linux ●

 

drága jogdíj, bonyolult, rosszul  tanulmányozható/dokumentáció hiány

ingyenes, könnyen megérthető, sok verziója létezik különböző  célokra.

●

A koncepciók és problémák azonosak!

●

Mindegyiket lehet POSIX kompatibilis módban programozni!  

Mai program ●

 

Op. rendszerek  –

fejlődése

–

célja, feladatai

–

szerkezeti megoldásai

–

csoportosításai

●

Rendszer hívások (kernel trap)

●

Eset tanulmányok  

Futtatás direkt hardware­en ●

Felhasználók ●

Software: Utility­k

●

Software:  működtető rendszer

A feladatok dandárját a  működtető rendszer végzi Egyszerű alkalmazás  gyűjteménnyel operálunk vagy  konfiguráljuk, monitorozzuk a  működtető rendszeren. 

Hardware

 

Általános (pl PC) vagy cél  hardware (pl. PIC controller).

●

Sokszor ezek egy másik  sz.gép segítségen futnak. 

 

ilyenkor beágyazott  rendszerről beszélünk.

Eset tanulmány: mobil telefon ●

●

 

●

A hardware: –

CPU: microcontroller (StrongARM)

–

nagy flash memóriával rajta  FAT filerendszerrel

–

LCD, billentyűzet

Az operációs avagy működtető rendszer feladata –

user interface­elés

–

kommunikáció a control és monitor  alkalmazással/berendezéssel (PC)

–

a GSM alrendszer (Texas 5x) felprogramozása  

Külső eszközzel monitorozható/debug­olható a teljes működés

Az operációs rendszer fogalmai  feladatai, funkciói

●

Extended virtual machine: –

●

Resource manager: –

●

 

A perifériák intim ismeretének elkerülhetővé tétele.  A különbözőségeket szimbolikus nevek mögé rejti  és standard interface biztosít (/dev). hardware (CPU­k, perifériák) és software (pl.  adatbázis) manage­elése.

Responding machine (Válaszoló gép): –

  Kernel API szolgáltatásai. (ld. később.)

Történet – prehisztórikus  próbálkozások ●

Babbage: 1792­1871 analitikai gépek

●

 Ada Byron programozó (Lord Byron nővére) 

●

 

Majd a II. világháború és az azt követő  fegyverkezési hullám, a hidegháború katalizálja  a gépek fejlesztését  

1. Generáció 1945­55 ●

Elektron csöves, dugtáblák, lyukkártyák

●

Gépi nyelvű programozás (nem assembly)

●

Nincs OP. rendszer

●

Ugyanaz a működtetője, építője, programozója

●

H Aiken, J. von Neumann, Ecker, Mauchley,  Zuse

 

 

2. Generáció: 1955­65 (Exploiting Machine Power)  ●

Tranzisztorok, kötegelt rendszerek,  karakterorientált

●

●

 

és szószervezésű gépek.  Külön tervezők és építők; karbantartók;  operátorok; programozók, felhasználók

●

JOB fogalom

●

Fortran nyelv  

2. Generáció folyt. ●

 A JOB fogalom: load­translate­load­exec  szekvencia, eleinte “kézzel“, később  “automatizálva“. 

 

●

nem_rezidens “loader“ 

●

ez először monitor jellegű, végül: ütemező is 

●

Tipikus a kötegelt (batch) feldolgozás   

3. Generáció 1965­80 (reducing machine) ●

●

●

 

IC­k, multi programming szó orientált, idő osztásos, memória  particionálás, spooling software kompatibilitás fogalma az IBM OS360­ asánál, PDP­11 microgépek

●

MULTICS(PDP­7­en) ­> UNIX szabvány

●

LISP, Prolog, PL1, C  

4. Generáció 1980­90 (reducing complexity)

 

●

LSI, VLSI

●

GUI

●

MSDOS/Unix/ VaxVMS, Novell

●

Hálózati op.rendszerek, teljes párhuzamosság

●

server­client modell

●

OOP  

Ma ●

●

moduláris kernelek (vs. monolitikus)

●

különleges architektúrák, grid, supercomp, 

●

●  

az op.rendszerek egyre kevésbe architektúra  függőek

●

OOP technológiák: DCOM, Corba, SW  engineering mindenki felhasználó  

Dominans: linux, windows, desktop: OSX

Csoportosítás célkitűzések szerint ●

Mainframe operating systems:  –

●

Server/Desktop operating systems

●

Sinlge/Multi­processor operating systems

●

Real­time operating systems:  –

●

●

safety systems, multimedia 

Embedded operating systems –

 

VMS

symbian, embedded linux  

Smart card operating systems: pico JAVA, 

További csoportosítások • Hardver függőség szerint :  Személyi, kis, nagy gépek OS­e (?), architektúra  független • Cél szerint :  Általános, vagy speciális célú  • Processzek, processzorok, felhasználók száma szerint  – Single, vagy multi tasking, multi processing, multi threading  – Single, vagy multi user  – Distributed  • Időkiosztás szerint : Szekvenciális, kooperatív, vagy beavatkozó; time sharing, real  time  • Memóriakezelés szerint : Valós címzésű, vagy virtuális címzésű  • I/O és fájlrendszer megvalósítás szerint   

 

Feladatok: Resource management ●

 

Nem létezik ideális memória: gyors, olcsó, táp  nélkül is emlékszik ezért a dilemma:a  sebesség vs méret

 

Feladatok: Resource management ●

 

Memória management

 

Feladat a processzek memória igényének kielégítése és processzek egymástól való védelme

Feladatok: Resource management ●

Processzek és viszonyaik: szülő és gyermek –

 

példa: filemanager – alkalmazás – alfeladatok  (szálak)

Feladat a hierarchikus viszonyban lévő processzek manage­elése  

Feladatok: Resource management ●

 

Dead lock (holt pont vagy halálos ölelés)

  Feladat ezeket a helyezeteket elkerülni vagy feloldani.

Feladatok: Resource management ●

●

 

Az erőforrások: –

memória: szabadterület menedzselése ­ MMU/virt.mem­ swap

–

disk: szabadterület menedzselése, filerendszer

–

periféria: sorban állások, prioritások

–

cpu,DMA: időosztások, prioritások

A feladatok: –

„mindenki” kapjon hozzáférést (no starving)

–

védelmet biztosítson a különböző aktorok között

–

prioritásokat lehessen megvalósítani  

Feladatok: Responding machine ●

●

 

Kernel Application Programming Interface = rendszer  hívások: –

fájl rendszerhez: fopen, fclose

–

process kezelés: fork, waitpid,

–

időzítések: time, delay

–

inter process communication (IPC) primitívek

Minden kernel API hívás egy Kernel Trap­et    eredményez

Processor modes ●

●

●

Kernel (supervisor) mode –

egy processzor flag szabályozza a módot.

–

privilégizált utasításokat is végre lehet hajtani

–

periféria I/O terület elérés lehetséges

User mode (protected) –

korlátozott utasítás végrehajtás

–

korlátozott/felügyelt memória címterület elérés

Átjárás a két mód között: 

 

 

–

system call = kernel trap

Példa egy Kernel trap­re Példa: 1­4. fopen() hívás, paraméterek  stack­re rakása 5. paraméter átalakítás +  rendszerhívás (pl. syscall() / ioctl() fv­ek) 6. belépés a kernelbe, ott  hívás szétosztás: DISPATCH  8. végrehajtás, visszatérési  érték visszaírás  

 

9. visszatérés a user space­re

Kernel trap hívás történhet direkt hívással: user space­ről (ezt láttuk az előbb) vagy kernel  space­ről. A kellemes interface­elest standard library­k ún. Run  Time Library­k biztosítják. Pl. a fopen() fv­t. Linux­ban ennek a  neve a glibc.

●

–

HF: utánanézni hogy néz ki egy függvényhívás után a stack

–

HF: utánanézni mi is a linkelés.

HW Megszakítással ( interrupt ). Lehet hw és sw interrupt is. –

●

 

HF: utánanézni, hogy milyen lépéseken keresztül történik  (digit II)

HW kivételes esemény ( exception ). –

 

HF: mi is ez és hogyan működik, mi történik ( C++ )

Interface­ek Alkalmazás

programozói API

Run Time  Library kernel API Op Sys – kernel

SPI Hardware

 

API – Application Programming Interface SPI – Service Provider Interface

 

Buzz word: Virtualizáció –

Elhiteti velünk, hogy egy rendszerben egyedül  vagyunk:  ●

–

Standardizált környezetet jelent: ●

 

amikor programozunk v. használjuk a rendszerünket nem kell  különösen figyelni arra, hogy más user­ek, programok is használják  az erőforrásokat. Nem kell figyelni a velük való együttműködésre.  Nem kell kooperat

mindenki aki a rendszerben van ugyanazt az interface­t  használja. nincsenek különbségek az egyes felhasználók    között, egyes software­ek között.

Buzz word: Virtualizáció Szintjei: program kódban: thread, process (shell) szolgáltatásokban: devices (/mnt/..), virtual filesystems  (shfs, nfs), net services koncepcionális szinten: javavm, iframe kernel & file system: xen, vmware, qemu éasf Külső kontroll és monitor eszközök kellenek hozzá  

 

Kernel struktúrák ●

Monolitikus kernel  –

induláskor betöltődik a teljes kernel, ami meglehetősen sok  feladatot lát el. A komponensek között nincsenek alá­fölé  rendelési viszonyok és hatásköri kérdések.

–

Gyors. Könnyű, de veszélyes a fejlesztése. Példa Win NT,   régen a Linux kernel is ilyen volt.

●

Mikro kernel (moduláris): –

Egy kicsi mag, minden egyéb user­space­en, de legalábbis  szeparált területen fut. Ilyenre emlékeztet a win NT. Biztonságos  a fejlesztése, mert egy user­space hiba nem rantja magával a  teljes OS­t, viszont a sok kernel trap drága művelet ezért lassú.

 

 

Kernel struktúrák ●

Hibrid: fentebbi kettő kombinációja.

●

Rétegzett kernel: (kihalt)  pl. The OS

●

A Linux kernel­e hibrid, moduláris, kliens­szerver.

Lásd: Tanenbaum és Linus vitája:  http://people.fluidsignal.com/~luferbu/misc/Linus_vs_Tanenbaum.html  

 

Esettanulmányok ●

Windows NT Újdonság!

 

 

Esettanulmányok

 

 

Pl. filemanager

 

  Pl. ilyen egy kernel által támogatott távoli fájl rendszer (NFS) elérés

Összefoglalás ●

Definíciók

●

Problémák, feladatok, szolgáltatások

●

Struktúrák

●

Kernel trap That's all folks for today

 

 

Ellenőrző kérdések

 

●

Írja le az operációs rendszer funkcióit?

●

Sorolja fel a operációs rendszerek generációit.

●

Mi a direkt programozás?

●

Milyen operációs rendszer csoportosítást adna meg célkitűzések szerint?

●

Írja le a kernel trap lépéseit! Rajzolja le a stack­et utána. Mi válthatja ki?

●

Mi ezen belül a dispatch mechanizmus?

●

Írjon példákat hardware erőforrásokra, amelyeket az op.rendszernek manege­elnie kell.

●

Mi a virtualizáció? Mondjon 3 példát rá.

●

Milyen különbségek vannak a monolitikus/moduláris(mikro) kernel közt?

●

Rajzoljon le egy hálózaton lezajló kernel támogatott, file rendszer elérési sémát.

●

Mi az API és mit jelent?

●

Mi volt a WinNT „nagy” újítása?