Or 01 Bevezetes

8/20/2019 Or 01 Bevezetes

1/35

Dr. Benyó Balázs

Operációs rendszerek

1


Bevezetés az operációsrendszerek világába

vasárnap, 2005. november27.

Dr. Benyó BalázsOperációs rendszerek II.

Bemutatkozás

• dr. Benyó Balázs

• [email protected]

• www.sze.hu/~benyo

mailto:[email protected]://www.sze.hu/~benyohttp://www.sze.hu/~benyomailto:[email protected]


2/35

Dr. Benyó Balázs


2



Számítógép HW-SW felépítése

Operációs rendszer

Operációs rendszer (kernel)

Hardver

felhasználó

Alkal-mazás

Alkal-mazás

felhasználó felhasználó



Az operációs rendszerekfogalma• Operációs rendszer:

– Intelligens (feladat-végrehajtásra alkalmas)gép a HW-re mint er forrásra támaszkodva

• Operációs rendszerek általánosfunkciója:

– szolgáltatások (kényelem) a felhasználószámára

– hatékony HW kihasználás.


3/35

Dr. Benyó Balázs


3



OR interfészek• interfész:

– ~felület – OR interfész: kommunikációs felület, amin

keresztül az OR szolgáltatásait igénybe lehetvenni

• OR interfész az alkalmazások felé: – API (Application Programming Interface)(ß MS) – rendszerhívások (ß UNIX)

• OR interfész az felhasználó felé: – felhasználói interfész (pl. UNIX: shell, WindowsXP: cmd )



Az operációs rendszerekfeladatai• program végrehajtási környezet

biztosítása

• program fejlesztési környezetbiztosítása

• er forrás gazdálkodás

• vezérl program


4/35

Dr. Benyó Balázs


4



Operációs rendszerheztartozó SW komponensek

Szélsséges alternatívák:

• A számítógépen állandóan futó vezérlprogram (kernel ).

• Minden, a gép általános felhasználásáhozszükséges program.

Operációs rendszerekfejldése


5/35

Dr. Benyó Balázs


5



Operációs rendszerek fejldése

• Operációs rendszerek párhuzamosanfejldtek a számítógépekarchitektúrájának fejldésével

Számítógépek felépítésének

fejl dése


6/35

Dr. Benyó Balázs


6



Busz struktúra

Adat busz

MemóriaCPU



Vezérlk használata

Grafikus vez.HD vezérl

Adat busz

Memóriavezérl MemóriaCPU


7/35

Dr. Benyó Balázs


7



IT kezelésre alkalmas HW

struktúra

IT vezérl

Grafikus vez.HD vezérl

Adat busz

Busz/Memóriavezérl

Memória

CPU

CACHE



Modern számítógépes rend-szerek felépítésének jellemz i

• Busz struktúra:

– CPU, memória, vezérlk.

• Megszakítások:

– Küls-bels események kezelése

– Óra IT

• Rendszer betöltése:

– ROM memóriából.


8/35

Dr. Benyó Balázs


8



Be- és kivitel (I/O)• Perifériák és a memória közötti

adatforgalom:

– Megszakítások.

– Adatátvitel közvetlen tárhozzáféréssel(DMA).

• Perifériakezelés: – szinkron

– aszinkron



Számítógépek adattároló

eszközeinek hierarchiája• regiszterek

• gyorsmemória (cache)

• központi memória

• elektronikus diszk

• mágneses diszk

• CD, DVD (optikai tárolók)• mágnesszalag

Elérési id ,

Kapacitás Ár/Bit


9/35

Dr. Benyó Balázs


9



Program végrehajtás modelljebemenet Végrehajtó számító gép kimenet

beolvasás feldolgozás kiírás

id

program



Gyakorlati tapasztalat

• Egy adott feladat (job, task) feldolgozásilépéseinek ideje nagyságrend(ekk)elkisebb, mint a bemenetekbeolvasásának, ill. kimenetek kiírásánakidigénye.


10/35

Dr. Benyó Balázs


10



Operációs rendszerekfejldése

Operációs rendszerek fejldésepárhuzamos a HW fejldésével.

A HW hatékony kihasználásának alapveteszközei (ne várakozzon a CPU):

–program váltás gyorsítása

–az I/O m#veletek és a feldolgozás(CPU használat) átlapolása



Batch típusú rendszerek

• nincs operációs rendszer (open shop),

• operátor alkalmazása (closed shop),

• kötegelt feldolgozás (batch),

• egyszer # monitor.


11/35

Dr. Benyó Balázs


11



Megoldások I/O m#veletekgyorsítására

• off-line feldolgozás

• pufferelés

• spooling



Off-line feldolgozás

• különböz gyorsaságú (és árú) perifériák

• gyors feldolgozásra képes CPU

• adott id alatt feldolgozott job-okszámának emelése: – különböz programok I/O m#veleteinek

idbeni átlapolása – párhuzamos m#veletek külön HW elemeken


12/35

Dr. Benyó Balázs


12



Off-line feldolgozás I.

Lassú

periféria

Szg.CPU

Lassú

periféria



Off-line feldolgozás II.

Szg.CPU

Gyors

periféria Gyorsperiféria

Átírás

Lassú

periféria

Átírás

Lassúperiféria


13/35

Dr. Benyó Balázs


13



Pufferelés• lassú perifériákból származó adatok

átmeneti tárolása a memóriában• HW támogatás szükséges!!

– megszakítás, periféria vezérlk

• adott program I/O m#veleteinek ésfeldolgozásának átlapolása

• hatékony gyorsítás, ha szinkronban vana beolvasás a feldolgozással...



Pufferelés

Input

Output

Monitor

Program

Input(puffer)

Output(puffer)

Beolvas

Beolvasás

Feldolgozás

Kiírás

Id

Kiír


14/35

Dr. Benyó Balázs


14



Spooling• Simultaneous Peripheral Operation On-line

• HW fejldés: mágneslemez megjelenése – gyors elérés

– NEM szekvenciális m#ködés

• program kód valamint bemenetek és

kimenetek együttes kezelése à folyamatkialakulása



SpoolingCPU

Memória

OR

Monitor JOB1

JOB2

JOB3

Kimenetkiírása

Feldolgozás

Bemenetbeolvasása

IN

OUT

IN

OUT

IN

OUT

JOB1

JOB2

JOB3

Lemez


15/35

Dr. Benyó Balázs


15

Multiprogramozott rendszerek



Multiprogramozott rendszerekkialakulása• Több futó program (folyamat) kezelése

• CPU sohasem kihasználatlan

• Egyes folyamatok számáraészrevehetetlen

• Többletfeladatokat ró az operációs

rendszerre


16/35

Dr. Benyó Balázs


16



Multiprogramozott rendszerek• Több párhuzamosan futó folyamat.

• OR választ a futásra kész folyamatokközött.

• Különböz programok CPU és aperifériás m#veleteinek átlapolása.

• Hatékony HW kihasználás.



Multiprogramozott OR-ektöbbletfeladatai• job ütemezés,

• CPU ütemezés,

• tárgazdálkodás,

• er forrás allokáció,

• védelmi mechanizmusok biztosítása.


17/35

Dr. Benyó Balázs


17

Jellemz megoldásokmultiprogramozott rendszerekben



Idosztásos rendszerek(time sharing)

• rendszerszervezési elv

• CPU id elosztása a folyamatok között

• folyamatok CPU használata limitált

• gyors job váltás


18/35

Dr. Benyó Balázs


18



Interaktív rendszerek• felhasználó beavatkozását lehetvé

tev rendszer típus

• rövid válaszid biztosítása

• 100 ms nagyságrend# válasz

• tipikusan idosztásos rendszerek

• on-line file rendszer



Napjaink rendszerei

• multiprogramozott "kötegelt"rendszerek,

• idosztásos multiprogramozottrendszerek.


19/35

Dr. Benyó Balázs


19

Számítógépes rendszerektípusai



Rendszer típusok

• Típusba sorolás szempontjai:

– alkalmazási terület

– felépítés

– kapacitás

• Az egyes típusokban különböz OR


20/35

Dr. Benyó Balázs


20



Számítógépek kategóriáikapacitás alapján

• „szuper-számítógépek”

• nagygépes környezetek

• munkaállomások

• „mini és mikro” számítógépek



Személyi számítógépesrendszerek

• egyfelhasználós rendszerek

• eredetileg kiskapacitású hardver

• gyors kapacitásbvülés

• lehetség “igazi” OR használatára


21/35

Dr. Benyó Balázs


21



Párhuzamos hardverenalapuló rendszerek

• Csoportosítás csatolás alapján:

• Többprocesszoros rendszerek

• szorosan csatolt (közös tárral, órajellelrendelkez) hardver

• Elosztott rendszerek

• lazán csatolt (hálózati) rendszerek



Párhuzamos rendszerekosztályai• Csoportosításuk funkció alapján:

• szimmetrikus,

• aszimmetrikus.

• Csoportosításuk felépítés alapján:

• homogén,• inhomogén.


22/35

Dr. Benyó Balázs


22



Elosztott rendszerek elnyei• er forrás megosztás (resource sharing),

• nyílt és méretezhet rendszer (opensystem)

• konkurens m#ködés (concurrency),

• hibat#rés, megbízhatóság (fault

tolerance, reliability),• kommunikáció (communication).



Valósidej# (real time)rendszerek• garantált válaszid a küls

eseményekre

• ütemezés kritikus

• ipari alkalmazások

• kevés multiprogramozott rendszer


23/35

Dr. Benyó Balázs


23

I/O kiszolgálás multiprogramozottrendszerben



I/O kiszolgálás multi-programozott rendszerben

• Rendszerhívás – alkalmazás OR szolgáltatást vesz igénybe

• Megszakítás (Interrupt) – periféria kiszolgálása (OR feladata)


24/35

Dr. Benyó Balázs


24

I/O kiszolgálás multi-programozott rendszerben

Operációs

rendszer

A folyamat

I/O

folyamat

I/O start I/O vége

I/O-ra vár rendszerhívás

Megszakítva

IT

Futásra kész,

CPU-ra vár

B folyamat

ITkiszolgálás

Futásra

kész, CPU-ra

vár

I/O-ra vár

I/O start



Megszakításokkiszolgálásainak lépései• IT elfogadása• Módváltás• Regiszterek elmentése• IT kiváltó esemény azonosítása• IT rutin meghívása• IT rutin végrehajtása

• Regiszterek visszaállítása• Módváltás• RETURN


25/35


26/35

Dr. Benyó Balázs


26



Védelmi mechanizmusok• két módú programfuttatás

– felhasználói- és rendszer- (privilegizált)mód,

– privilegizált utasítások,

– TRAP utasítás a módváltáshoz,

• tár címtartományok védelme,• óra periféria, rendszeres megszakítások

Operációs rendszerek tipikuskomponensei és jellemz

felépítése


27/35

Dr. Benyó Balázs


27



Operációs rendszerek részeiés szolgáltatásai

• Összetett funkcionalitás

• Rendszer feladatának dekomponálása:moduláris felépítés

• Részek (alrendszerek) elhatárolása a

funkcionalitás alapján



Rendszerkomponensek I.• Folyamat kezel:

program végrehajtás, folyamatok ve-zérlése, szinkronizáció, kommunikáció.

• Központi tár kezel:memória kiosztás, programok betöltése,kirakása, virtuális memória kezelés.

• Állomány kezel:fájlok és könyvtárak kezelése.


28/35

Dr. Benyó Balázs


28



Rendszerkomponensek II.• I/O kezel:

driverek, I/O eszközök kezelése.

• Másodlagos tárolók kezeli:diszkek, szalagok kezelése, ütemezés.

• Védelmi rendszer:

a folyamatok egymástól és külsbehatástól történ védelme.



Rendszerkomponensek III.

• Hálózat kezel:elosztott rendszerekben kommunikációshálózati összeköttetés kezelése,er források távoli elérése.

• Kezeli felület:

parancsértelmez (felhasználóiinterfész).


29/35

Dr. Benyó Balázs


29



Operációs rendszereklegfontosabb szolgáltatásai I.

• Szolgáltatások (kényelem):

– programok végrehajtása

– I/O m#veletek

– file kezelés

– kommunikáció

– hiba detektálás, lokalizálás



Operációs rendszereklegfontosabb szolgáltatásai II.

• Optimális m#ködés (HW kihasználás):

– er forrás foglalás,

– rendszerinformációk gy# jtése, elszámolásbiztosítása,

– védelmi és biztonsági mechanizmusokbiztosítása.


30/35

Dr. Benyó Balázs


30

Operációs rendszerek fizikaifelépítése



Operációs rendszerekfelépítése• Komplex, nagyméret# szoftver rendszer.

• Hosszú életciklus, sok változat.

• A szoftver fejlesztés általános elveinekhasználata.

• Szempontok:

– hatékonyság

– karbantarthatóság, hordozhatóság


31/35

Dr. Benyó Balázs


31



Alapvet szervezési elvek I.

• Moduláris szerkezet

– Modulok jól definiált m#ködéssel.

– Példa: "klasszikus" UNIX szerkezet.



Alapvet szervezési elvek:Monolitikus kernel

• Monolitikus kernel:

– A modulok egymással korlátozás nélkülérintkezhetnek.


32/35

Dr. Benyó Balázs


32



Monolitikus kernel APL1 APL2

Modul0

Modul2

Modul3

Modul1

Modul4

HW



Alapvet szervezési elvek:Rétegszerkezet • Rétegszerkezet:

– interfészek használata,

– adatok elrejtése.

• Nehéz tiszta rétegszerkezetben afunkciók egymásra építése.


33/35

Dr. Benyó Balázs


33



Rétegszerkezet

2. réteg

APL1 APL2

HW

4. réteg

3. réteg

1. réteg

rejtettadatok

interfészek



Alapvet szervezési elvek:Kliens-szerver m# ködés• Kliens-szerver m#ködés:

– Modulok:szolgáltatások nyújtása és használata.

– Szolgáltatások igénybevételekommunikációs csatornán keresztül.


34/35

Dr. Benyó Balázs


34



Kliens-szerver m#ködés

kliens szerver

1. kérés

3. válasz2. szolgáltatás

kliens

klienskliens



Kliens-szerver m#ködésoperációs rendszerekbenKliens

applikáció

Mikrokernel

Hardver

Folyamatkezel

MemóriaManager

Fileszerver

Hálózatiszerver

user mód

kernel mód

válasz kérés

válasz kérés


35/35

Dr. Benyó Balázs



Alapvet szervezési elvek:Virtuális gép

• Virtuális gép (virtual machine, VM): – réteg szerkezet speciális használata

– HW teljes kör # szimulációja (védettutasítások is).

– Elny:• valós HW er források osztott kezelése,

• különböz operációs rendszerek akáregyidej#leg is, változtatás nélkül futtathatók.

– Java VM (hordozható!), PC emulátorok



Virtuális gép

Hardver

Kernel

Vi r t uáli s gép f elüle t

Alkal-mazás

Alkal-mazás

Alkal-mazás

O.R.O.R.O.R.

Documents

Or 01 Bevezetes