Operatsioonisüsteemi alused (0)

Operatsioonisüsteemi alused

• http://codex.cs.yale.edu/avi/os-book/
  
• http://physinfo.ulb.ac.be/cit_courseware/cscourse.ht m
  
• http://www.cs.ut.ee/~varmo/OS2004/slides/
  

→ Referaat

• Tähtaeg 1. Mai
  
• Teema kooskõlastada õpetajaga
  
• Laadida üles õpetaja serverisse
  

→ hot.ee/llesurk

• Edasi E-õpe
  
• Registreerida ennast keskkonda
  
• E-mail õpetajale
  
• Õpetaja kinnistab teid õigele kursusele
  
• Parooli mitte unustada (küsige e- maili teel õpetajalt)
  

→ Mõiste
Operatsioonisüsteem (OS) – see on süsteemi- ja juhtprogrammide kompleks ja ettenähtud arvutisüsteemi ressursside efektiivseks kasutamiseks.
See on vahendaja arvutikasutaja ja arvuti ( riistvara ) vahel – programm, mis vahetult suhtleb riistvaraga ning töötab temaga ühtse tervikuna .
Peab võimaldama täita arvutiprogramme, mugaval efektiivsel viisil.
Opsüsteemi peab tagama arvutisüsteemi korrektse käitumise.
Operatsioonisüsteem, OS – arvutiprogrammide kompleks kindlustamiseks

• Kasutaja liidest,
  
• Arvuti aparatuursete ressursside juhtimist
  
• Tööd failidega
  
• Andmete sisestamist ja väljastamist
  
• Rakendusprogrammide täitmist
  
• Utiliite (Utilities)
  

Mis asi on arvuti?

Input → Processing → Output
Applications →↓
Utilities → Operating System Services → Hardware
Command/Interpreter →↑
Address Bus ↓ ↓ ↓ ↓
Data Bus ↓ ↓ ↓ ↓
Control Bus ↓ ↓ ↓ ↓
CPU ROM RAM I/O

Arvuti tasemed

• Kasutaja rakendusprogrammid
  
• Kõrgtaseme programmeeriskeeled
  
• Assembleri keel, masinkood
  
• Mikroprogrammid. Riistvaraline juhtimine
  
• Funktsionaalsed seadmed
  
• Lihtloogika elemendid
  
• Transistorid ja juhtmed
  

Neumanni mudel

Mäluseade
↑↓
Sisendseade ↔ Aritmeetikaloogika seade↔Väljundseade
←↑ ↑↓ ↑→
Juhtseade

Arvutite liigid

Superarvuti

• Kümned tuhanded protsessorid
  

Klasterarvuti (cluster)

• Mitu arvutit töötavad korraga
  

Suurarvuti (mainframe)

• Kümned/sajad protsessorid
  

Tööjaam

• Mitu protsessorid
  

Personaalarvuti

• Üks protsessor (mitme tuumaline)
  

PC

• Lauaarvuti
  
• Kokkupandav arvuti
  
• Märkmikud
  
• Palmtop
  
• Sisseehitatudsüsteem
  

Esimene põlvkond

Riistvara – mehaanilsed releed, elektronlambid
Tarkvara – Programmeerimine masinkoodi, puudusid nii operatsioonisüsteemid kui ka süsteemi tarkvara.
Teadlased – Howard Aiken, John von Neumann , J. Presper Eckert , William Mauchley, Konrad Zuse
Selle ajastu arvutid olid: elektronlampidel, ebatöökindlad, gabariitidelt suured, tarbisid elektrit suurusjärkudes, mida andis elektrijaam
OS eelnesid

• Teenindusprogrammid – laadurid, monitorid .
  

Teine põlvkond

Riistvara – transistorid, suurarvutid
Tüüpilised OS – FMS, IBSYS
1952.a. – Esimene operatsioonisüsteem loodi firma General Motors uurimislaboris IBM-701
Tarkvara – esimesed algoritmilised keeled ja translaatorid, paketttöötlussüsteemid, formaliseeritud keel ülesannete juhtimiseks, spetsiaalne programm – monitor
Uus tehniline baas – pooljuhtseadised
Selle perioodil jagnues personal:

• Programmisitideks
  
• Operaatoriteks
  
• Teenindajateks
  
• Arvutiseadmete väljatöötjateks
  

Kolmas põlvkond

Riistvara – integraalsed mikroskeemid, masinate seeria IBM/360, miniarvutid (seeria PDP)
Teadlased – Ken Thompson
Tüüpilised OS – CTSS, MULTICS
1974.a. – (UNICS) UNIX (Unixplexed Information and Computing Service )
Tarkvara – Multiprogramsed paketttöötlussüsteemid, ajajaotussüsteemid, standard POSIX
Luuakse programmiliselt ühtsed arvutisüsteemid
Tehnilises baasis toimus üleminek transistoridelt integraalskeemidele
Esimene ühtsussüsteemi arvutid olid IBM/360 seeria arvutid.

Neljas põlvkond

Suurte integraalskeemide kasutuselevõtmine

• Toimub mikroskeemide integreerimisastme järsk tõus ja hinna odavnemine
  

Programmeerimise areng

• Esimene programmeerimine seisnes arvutiseadme esipaneelil olevate lülitite õigesse asendisse seadmises
  
• Sellisel viisil ei saa teha eriti pikki programme
  
• Arvutitehnika arenemisel ilmus masinkood
  

Assemblerkeel

• Masinkoodi asemel masinale orienteeritud keel – assembler
  
• Inimesed kasutavad masinkoodi käskude asemel mnemoonilisi käske, mis tõlgitakse translaatori poolt masinkoodi keelde
  
• Kõikidel protsessoritel on ainult temale omane masinkoodide hulk, assembler
  

Kõrgtasemekeeled

• Järgmine samm tehti 1954. A. Millal tehti esimene kõrgtaseme keel – FORTRAN
  
• Kõrgtaseme keeled imiteerivad loomulike keeli, kasutades kõnekeele sõnu ja üldkasutatavaid matemaatilisi sümboleid
  
• Need keeleed on inimesele mugavamad. Nende abil võib kirjutada programme, milles on tuhandeid ridu.
  

Algoritm

• Algoritm on sammsammuline tegevusjuhis , juhend, eeskiri mingi tegevuse sooritamiseks või eesmärgi saavutamiseks
  

Struktuurprogrammeerimine

• Kõrgkeeles kirjutatud lühikesed programmid olid kergesti arudaadavad kuid suuremahulised muutusid raskesti arusaadavaks ja mittejuhitavaks.
  
• Lahenduseks oli struktuurprogrammeerimine
  

Objekt-orienteeritud programmeerimine

• alates 1970 lõpust ja 1980 algusest hakati looma objektorienteeritud programmeerimise keeli (OOP)
  
• OOP’is on struktuurprogrammeerimise parimad printsiibid , milledele on listaud uued konseptrsioonid
  

Paketttöötlus

• Paketttöötluse jaoks on vajalik täidetavate programmide järjekord,
  
• Operatsioonisüsteem võib kindlustada programmi laadimist mällu välistelt andmekandjatelt
  
• Põhimõtted
  
  • Programmi tekst sisestati perfolindile või perfokaartidele
    
  • Magnetlint kompilaatoriga paigutati seadmesse ning seade ühendati
    

Draiverid

• Järgmiseks etapiks olid sisendit ja väljundit teostavad programmid, mis sisestaisd ja väljastasid infot ajal kui CPU töötas.
  
• Sisend -
  

Spooling Batch Systems

Multiprogramming systems

Multiprogrammeerimine – see arvutusprotsessi organiseerimise meetod, kus ühe protsessori peal kordamööda täidetakse mitut programmi
Kui üks programm täidab sisend-väljund operatsiooni siis protsessor ei oota see oli õheprogrammilises režiimis vaid täidab teist programmi
Seejuures iga programm llaaditakse talle eraldatud mälu osasse
AS-Käitusrežiim mis tagab kahe või enama programmi vaheldatud täitmise üheainsa

Timesharing systems

• Loogiliseks järjeks multiprogrammisüsteemidele oli ajajaotussüsteemide tekkimine
  
• Multiprogrammilise ajajaotussüsteemi eesmärk on tekitada kasutajale mulje, et kõiki programme täidetakse üheaegselt.
  

Multitasking

• Vajadus ajajaotussüsteemide järele suurensed sisendväljundseadmete eriti aga elektronkiiretoruga terminalide kasutusele võtmisega.
  

Multiuser systems

• Ajajaotussüsteemid võimaldasid luua mitmekasutaja süsteemid, kus üks keskprotsessor ja ühine põhimälu ühendatakse arvukate terminalidega
  
• Osa ülesannetest nagu näiteks andmete sisestamine ja redigeerimine operaatori poolt toimub dialoogi režiimis aga massiivsed arvutused pakettrežiimis.
  

Virtual memory

• Virtuaalmälu – see on tehnoloogia , mis kasutab muutmälu mahu suurendamiseks teistest mälu , näiteks kõvaketta vaba ruumi
  
• Mälu mis ei kuulu põhimälu või muutmälu alla vaid kasutav kõvaketta mahtu
  

Kasutajaõigused

• Mitmekasutaja süsteemides tuli lahendada kasutajaõiguste probleem
  

Reaalaja süsteemid

• Reaalajasüsteem on eriotstarbeline süsteem, kus protsessori tegevusele ja andmete liikumisele on kehtestatud ajalised piirangud.
  
• Näiteks konveieri robotid, tööstusprotsessi juhtimine, lennuki ja raketi juhtimine, koduautomaatika
  
• Eristatakse kahte tüüpi
  
  • Jäigad
    
  • paindlikud
    

Multiprotsessor

• multiprotsessorsüsteemi nimetatakse ka pralleelsüsteemiks
  
• protsessorid jagavad siin
  
  • ühist siini
    
  • ühist süsteemi kella
    
  • mälu
    
  • välisseadmeid
    

Hajutussüsteemid

• tänapäeva arvutid on ühendatud võrku
  
• nendel töötavad operatsioonisüsteemidel on hajussüsteemide omadused
  
• hajussüsteem omad/ei oma:
  
  • Mitu protsessorit ja erinevat tüüpi
    
  • Puudub ühine siin
    

OS Ülesehitus

OPS tähtsamaid osad

• Tuum. Kernel
  
• Plaanur. Scheduler
  
• Protsessihaldur. process manager
  
• Failihaldur. Filemanager
  
• Mäluhaldur. Memory manager
  
• Välisseadmete haldur. I/O manager
  
  • Draiverid. Drivers
    

OPS osad

• Sekundaarse salvestusruumi haldus. Secondary memory management
  
• Võrgu tugi. Network support
  
• Kaitsesüsteem. Security system
  
• Käsuinterpretaator. Shell
  
• Kasutajaliides . User interface
  
• Rakendus programmeerimise liides . Application programming interface
  
• Administreerimine . Administration
  

Operatsioonisüsteemi tuum

• Tuum – on operatsioonisüsteemi keskne osa, mis pakub rakendustele kooskõlastatud juurdepääsu arvuti ressurssidele, nendeks on:
  
  • Protsessori aeg
    
  • Mälu
    
  • Välisseadmed
    
  • Välisseadmetel andmete sisestamist/välistamist
    
  • Rakenduste käskude tõlkimist kahendkoodi, et arvuti neist arus saaks
    
  • Kindlustab juurdepääsu failisüsteemile/võrgule
    

Kaitsemehhanismid

• Kaitsemehhanismid kontrollivad juurdepääsu süsteemi ja kasutaja ressurssidele programmide, protsesside või kasutajate poolt
  
• Kaitsemehhanism peab:
  
  • Eristama autoriseeritud ja autoriseerimata kasutajaid
    
  • Määrama juurdepääsureeglid
    
  • Need reeglid kehtestama
    

Operatsioonisüsteemi mitmetasemelisus

• Tase 0 –Riistvara
  
• Tase 1 – OS riistvara toetus
  
• Tase 2 Masinast sõltuvad tuuma moodulid
  
• Ring 3 – tuuma baasmehhanismid
  
• Ring 4 – ressursihaldurid
  
• Ring 5 – API süsteemsete kutsete liidesed
  
• Ring 6 Utiliidid, süsteemiprogrammid, kasutajarakendused
  

Käsuinterpretaator

• Käsuinterpretaator – programm süsteemi juhtimiseks, mis suhtleb kasutajaga
  
• Näited
  
  • UNIX’i shell
    
  • MS-DOS’i COMMAND.COM
    
  • MacOS ’i GUI+Finder
    
  • Windows ’i GUI+ Explorer
    

Käsuinterpretaator käsud

• Palju käske, mis operatsioonisüsteemile antakse, on operatsioonisüsteemi endaga seotud juhtimiskäsud:
  
  • Protsesside loomine
    
  • I/O operatsioonid
    
  • Põhimäluhaldamine
    
  • Failisüsteemi manipuleerimine
    
  • Kaitsemehhanismid
    
  • Võrguoperatsioonid
    

Kasutajaliides

• Kasutajaliides on ühenduslüli kasutaja ja operatsioonisüsteemi vahel.
  
• Kasutajaliides teeb operatsioonisüsteemi kasutajale kättesaadavaks
  
• Põhiliselt eristatatkse graafilisi ja käskjuhitavaid kasutajaliideseid.
  

GUI

• Graafiline kasutajaliides- Graphic User Interface, HUI, arvuti graafiliste kujutiste kuvamine võimalusi ärakasutav tarkvaraliides, mis teeb programmi kasutamise lihtsamaks.
  
• Hea graafiline kasutaliides vabastab kasutaja täielikult õppida programmeerimiskeeli.
  
• Graafiline kasutajaliides sisaldab järgmisi komponente:
  
  • Kuvaril liikuv viit e. Kursor,
    
  • Osutusseade
    
  • Ikoonid
    
  • Aknad
    
  • Menüüd
    

Operatsioonisüsteemi teenused

• Teenused, mida operatsioonisüsteem pakub programmidele
  
• Programmide täitmine (mällu laadimine ja käivitamine)
  
• I/O operatsioonid – kuna programmid ei saa enamasti otse välisseadmete poole pöörduda, peab OS selleks teenuseid pakkuma
  
• Failisüsteemi manipuleerimine – failide loomine, kustutamine, lugemine, kirjutamine, kataloogiaoperatsioonid
  
• Side – andmevahetus protsesside vahel (samas või erinevate arvutites), realiseeritakse teadete saatmisega või jagatud mäluga
  
• Vigade avastamine – protsessori, mälu, I/O seadmete ja kasutajaprogrammide vigade avastamine ja neile adekvaatselt reageerimine
  

Operatsioonisüsteemi asukoht tarkvara ja riistvara hierarhilises süsteemis

Lõppkasutaja Programmeerija
↓ ↓1 ↓2
Rakendusprogrammid
Utiliidid, Kompilaatorid, Redaktorid, Käsu interpretaatortid1 ↓2 OPS väljatöötaja
Operatsioonisüsteem2
Masinkeel ←↓
Mikroarhitektuur (protsessori registrid, ALU) ←↓
Füüsilised seadmed ( kontrollerid , siinid, monitor jne) ←↓

Operatsioonisüsteemide komponendid ja funktsioonid

Tuum

Protsessihaldus

Mäluhaldus

Failihaldus

Välisseadmete haldus

Andmete kaitse

Administreerimine

Rakendusprogrammeerimise liides

Kasutajaliides

Tuumade tüübid

• Monoliittuum
  
• Moodultuum
  
• Mikrotuum
  
• Eksotuum
  
• Nanotuum
  
• Hübriidtuum
  

Monoliitne tuum

• Klassikaline tuum
  
• Kõige rohkem kasutust leidnud
  
• Kõik monoliittuuma osad töötavad ühes aadressruumis
  
• Unix
  
• BSD
  
• DOS
  
• Kernel
  ↓↑
  Software
  
• Rakendused
  ↑ ↓
  Tuum
  ↑ ↓
  Riistvara
  
• MT pakub seadmetele laia valiku abstraktsioone
  
• MT nõuab riistvara muudatuste tegemisel ümber kompileerimist
  
• OS komponendid ei ole iseseisvad moodulid vaid ühe programmi koostisosad
  
• MT jõudlus on hea kuna ta töötab kui üks suur protsess
  
• Monoliitsus raskendab
  
  • Häälestust
    
  • Koodist aru saamist
    
  • Uute funktsioonide ja võimaluste lisamist
    
  • Mittevajaliku eemaldamist
    
  • Nõuab suhteliselt suurt mälu
    

Monoliitse tuuma ehitus

Rakendused (Applications)
↓ ↓ ↓ ↓
Süsteemsete kutsete liides (System Call Interface)
Protsessi Haldus | Mäluhaldus | Virtuaalne failisüsteem | Võrgu-haldus
Plaanur | Protsesside vaheline kommunikatsioon | Virtuaalmälu
Dispetšer | Failisüsteem
Arhitektuurist sõltuv kood