Pikaintro kaytt¨ oj¨ arjestelmiin¨users.jyu.fi/~aikaihla/TIES406/t7/kj_intro.pdf · luento 17.8.2011 Paavo Nieminen Pikaintro kaytt¨ oj¨ ¨arjestelmiin. Tietokonelaitteisto

TietokonelaitteistoKayttojarjestelma

Esimerkki: Linuxin ydinRyhmatyo ja henkilokohtainen kotitehtava

Pikaintro kayttojarjestelmiin

Paavo Nieminen

Tietotekniikan laitosJyvaskylan yliopisto

TIES406 Tietotekniikan opintojen aktivointi,luento 17.8.2011

Paavo Nieminen Pikaintro kayttojarjestelmiin



Outline

1 Tietokonelaitteisto

2 KayttojarjestelmaHistoriaaPaakasitteita

3 Esimerkki: Linuxin ydin

4 Ryhmatyo ja henkilokohtainen kotitehtava




Outline








Mika on tietokone?

(Image Copyright Computer Laboratory, University of Cambridge:http://en.wikipedia.org/wiki/File:EDSAC_(25).jpg used under CC license.)


http://en.wikipedia.org/wiki/File:EDSAC_(25).jpg



Tietokone on binaarinen laskukone

Tietokonelaitteisto kasittelee bitteja (nollia ja ykkosia), jotkailmenevat sahkojannitteinaKaikki mita tietokone tekee on bittien siirtamista ja kahdenbitin yhdistamista ns. logiikkaportin avulla!Komponenteista (portteja, muistisoluja) organisoidaansuuri ja monipuolinen verkosto, mutta pohjalla oleva idea eiole kummempi.




Tietokone on ”uusi keksinto”

Ideat 1800-luvultaLaskennan teoria 1900-luvun alkupuoleltaEnsimmaiset yleiskayttoiset tietokoneet 1940-luvulta(Kaytannossa n. 70 vuotta sitten; esim. auto yli 100 vuotta,paperinvalmistus yli 2000 vuotta)




Tietokone on ”samanlainen” kuin 60 vuotta sitten

”Von Neumann -arkkitehtuuri”: prosessori, muisti, I/O, vaylaNykyaan monimutkainen (tehostavia lisakomponentteja);tarkeat peruskomponentit loytyvat kuitenkin yhaTeoreettiset mahdollisuudet yha samat!Ei harppauksia nakopiirissa (ellei kvantti-, DNA- taiaivosolukoneista aleta saada kayttokelpoisia).




Keskusyksikko (CPU) suorittaa konekielista ohjelmaa




Ohjelma – assembler – konekieli

(katsotaan kaytannon esimerkki ohjelman kaantamisesta)




Muistihierarkia

RekisteritValimuistit (Level 1, Level 2; prosessoriteknologia hoitaavalimuistin kayton; ohjelma nakeevirtuaalimuistiavaruuden)KeskusmuistiMassamuistit kuten kovalevyt

Rekisterit nopeita mutta kalliita (komponenttien jasunnitteluratkaisujen hinta). Alaspain siirryttaessa nopeus putoaa jahinta laskee. Muistin suunnittelu aina kompromissikapasiteettitavoitteen ja hintarajoitteen valilla!




Nykyisen tietokoneen ominaisuuksia

Nopeampia, pienempikokoisia, suurempi kapasiteettiLoytyy kaikkialta!




Tietokoneita on joka puolella!

Kannykoissa, kameroissa, DVD-soittimissa, pesukoneissa,autoissaRFID:t periaatteessa ”tietokoneita””Taydellinen” kayttojarjestelma tarvitaan yleiskayttoisissatietokoneissa, mutta kayttojarjestelman osioita tarvitaanmyos muissa laitteistoissa.




HistoriaaPaakasitteita

Outline









Kayttojarjestelman merkitys

Tietokone on siis binaarinen laskin, ”tyhma vekotin”, kasa”rautaa” (so. piita, kuparia, kultaa, muovia, kemikaaleja)Laitteiston kayttamiseksi tarvitaan jarjestelma. . . . . . nimittain kaytto-jarjestelma





Kayttojarjestelmien historiaa

1940-luku, 1950-luku: Ensimmaiset tietokoneet, ei kayttojarjestelmaa. Ongelmia mm. ajankayton kannalta:Miljoonien arvoista konetta varattiin kalenterista kuin Kortepohjan pyykkikonetta, esim. tunti kerrallaan. Jos tunninaikaikkunassa tehtiin vartin tyo, jai 45 minuuttia hukattua aikaa. Ongelmana oli siis kallis hukka-aikaa, joka johtijonkinlaisen automaattisen vuoronnuksen tarpeeseen.1950-luku: ”monitoriohjelmat” – yksi ns. tyo (job) loppuun, minka jalkeen monitoriohjelma latasi ja kaynnistiautomaattisesti seuraava tyon.1960-luku: monitoriohjelmia, ”JCL”, ohjelmointikielia ja kaantajaohjelmia (”compile and run”). Ei moniajoa, eimuistinsuojausta. Haasteita lisaksi tasapuolisuus ja keskeytykset.1960-luku (edelleen): Aikajakojarjestelmat (time-sharing systems). Koneet yha kalliita, moni pystyisi tekemaantehokasta tyota koneen avulla. Ratkaisuna tahan paatteet ja kayttajien kesken jaetut aikaikkunat/aikaviipaleet.Useiden prosessien ja jaettujen resurssien kaytosta syntyivat luonnollisesti ongelmat synkronoinnissa, poissulussaja lukkiutumisessa. Lisaksi muistin seka kayttajien ja kayttooikeuksien hallinta tuli entista tarkeammaksi.1970-luku: mm. Multics seka kehitteilla olevat UNIX ja MS-DOS. monipuolisempi, suurempi koodimassa,hankalampi hallita. Haaste kokonaisuuden jasentaminen. Kerroksittainen jasennysmalli.1980-luvulta alkaen: moniajon ja suojausten kehittamista, moniydinprosessorit, hajautetut kayttojarjestelmat,oliopohjaisuus. Mikrotietokoneet, oheislaitteiden kirjo. Verkkoyhteydet ja internet.2000-luku: kannykat ym. sulautetut laitteet.Tulevaisuus:Ainakin hajautus, liikkuvat laitteet seka moniydinprosessorit. Pilvet ja kevyet asiakaslaitteet.





Nykyisen kayttojarjestelman toimintoja ja tavoitteita

Moniajo (monta ohjelmaa yhtaaikaa)Monta kayttajaaVerkkoyhteydetTietoturvaVirransaasto (erit. mobiililaitteissa)Multimedia

Kayttaja pitaa tiettyja toiminnallisuuksia itsestaanselvina;ne on tarjottava. Tasapainotettavia tavoitteita ovat mm.vasteaika, tuottavuus, tehokkuus, tasapuolisuus,saatavuus, luotettavuus.





Olennaisin kasite: prosessi

Prosessi on ”ohjelman kaynnissa oleva ilmentyma”Kayttojarjestelman paatehtava on mahdollistaa prosessienkaynnistaminen ja suorittaminen tietokonelaitteistossa.





Resurssit ja vuoronnus

Mm. prosessoria, keskusmuistia, kovalevya ym. laitteita,tiedostoja, viestikanavia sanotaan resursseiksi.Moniajon avain on resurssien jakaminen prosessien valillaMm. aikaviipaleet ohjelmille, tiedostojen lukitseminenOhjelmat eivat valttamatta laske koko ajan – silloin neodottelevat jotakin tapahtumaa (ovat ”blokkautuneina”)Tapahtuma kasitellaan ”valittomasti”, jolloin nykyinenprosessi keskeytyy valiaikaisestiKonteksti (context) on prosessorin tila, kun se suorittaaohjelmaa. Kun prosessi keskeytyy prosessorinkeskeytyskasittelyssa, on tarkeaa etta konteksti sailyy,toisin sanoen johonkin on tallennettavarekisterien sisalto.





Kayttajatila, kayttojarjestelmatila

Normaalit ohjelmat toimivat suojatussa kayttajatilassa.Vahintaan jonkinlainen osa kayttojarjestelmankonekielisesta ohjelmasta toimii prosessorin ollessa ns.kayttojarjestelmatilassa. Tata osaa sanotaankayttojarjestelman ytimeksi.Ytimen vastuulla voi olla paljon (monoliittinen ydin) taivahan (”pienoisydin” / microkernel) toimintojaYtimen ja sen laheisten komponenttien toimenpiteetvoidaan suunnitella hyvin monella tavalla.Operaatiotutkimuksen menetelmia voi kayttaavaihtoehtojen arvioinnissaTiettyja pakollisia toimintoja loytyy kuitenkin kaikistakayttokelpoisista kayttojarjestelmista . . .





Yhteenveto kayttojarjestelman tehtavista/moduuleista

Prosessinhallinta:

vuoronnus (scheduler/dispatcher)synkronointi (synchronization)prosessien kommunikointi (IPC, inter-processcommunication)kaynnistys, linkitys

Muistinhallinta (memory management)

Tiedostojarjestelma (file system)

Laitteiden ja muiden sijaintien nimeaminen/osoitteet

Matalan tason laitehallinta (device management / drivers)

Puskurointi

Kayttajamaan rajapinta (system call interface / API)




Outline








(Katsotaan netista Linuxin ytimen lahdekoodia – konkreettinenesimerkki kayttojarjestelmasta)




Outline








Tehtava

Jakaudutaan kahteen ryhmaan ja tehdaan 15 minuutinkeskustelu seka purku:

Kirjoita (subjektiivinen) kertomus ensimmaisestakosketuksestasi tietokoneeseen. Milloin tama oli? Mikatietokone oli kyseessa, ja mika oli kayttojarjestelma?Vertaa silloista kayttokokemusta nykyisin kayttamaasitietokoneeseen ja kayttojarjestelmaan (todennakoisestiesim. Windows XP/Vista/7, Mac OSX, Linux). Mitaominaisuuksia ensimmaisestasi puuttui verrattunanykypaivaan, ja kaipaatko toisaalta jotakin ominaisuuttajota enaa ei ole?


Documents

Pikaintro kaytt¨ oj¨ arjestelmiin¨users.jyu.fi/~aikaihla/TIES406/t7/kj_intro.pdf · luento 17.8.2011 Paavo Nieminen Pikaintro kaytt¨ oj¨ ¨arjestelmiin. Tietokonelaitteisto