Operatsioonisüsteemi arhitektuur (0)

TALLINNA POLÜTEHNIKUM
Meedia erialaosakond
NIMI
REFERAAT
OPERATSIOONISÜSTEEMI ARHITEKTUUR
Multimeedia
Tallinn 2016

Sisukord

Operatsioonisüsteem 3
Operatsioonisüsteemide ehitus 4
Operatsioonisüsteemide struktuurne organisatsioon 5
Operatsioonisüsteemi põhifunktsioonid 7
Kõrgtaseme plaanurid 7
Madalamataseme plaanur e. dispetser. 8
Vaheplaanur 8
Kasutatud kirjandus 11

Operatsioonisüsteem

Operatsioonisüsteem ehk opsüsteem (inglise keeles operating system, lühend OS) on programmide kogum, mis käivitatakse arvutis alglaadimisprogrammi poolt ning mis juhib arvutisüsteemi tööd ja teenindab rakendusprogramme. Rakendusprogrammid saadavad operatsioonisüsteemile nõudeid mitmesuguste teenuste järele läbi rakendusliideste. Kasutajad saavad opsüsteemiga vahetult suhelda selle madal- ja rakendustaseme programmeerimisliideste kaudu ning läbi käsuinterpretaatori, kasutades selleks käsurealt ohjekeelt või graafilist kasutajaliidest.

Operatsioonisüsteemide ehitus

Võib eristada järgmisi operatsioonisüsteemi mooduleid:

• Kernel ehk tuum, mille ülesandeks on protsesside juhtimine ja sünkroniseerimine.
  
• Mälusuperviisor – mälujuhtimine ja virtuaalmälu toetamine .
  
• Operaatoriliides – programmeerimis- ja kasutajaliideste toetamine.
  
• Seadmete juhtimine – loogiliste ja füüsiliste seadmete vastavusse viimine , sisend -väljund operatsioonide organiseerimine .
  
• Ülesande juhtimise programmid – juhtkeele interpreteerimine, kasutaja protsesside juhtimine.
  

Operatsioonisüsteemide struktuurne organisatsioon

Operatsioonisüsteem selle laiemas mõttes peab toetama arvutisse saabuvat ülesannet, tema sisestamise hetkest kuni tulemuse väljastamiseni. Antud käsitluse aluseks on võetud ülesande täitmise käik arvutis, s.t. ülesande sisestamisest töötluse täielikku lõppemiseni. Eristame järgmisi ajalisi staadiume, mida operatsioonisüsteem endale kujundab: 

Päring - tellimuse vastuvõtmise keskkond, mille pikkuse määrab päringuaeg. See on aeg, millal kasutaja registreerib ennast sisse. Kui on tegemist pakktöötlusega siis on see aeg, millal registreeritakse ülesannete kompleks. Teisiti öeldes ajaintervall, mil süsteem võtab vastu tellimuse, milleks võib olla kas dialoogsüsteemis tarbija registreerimine süsteemi või pakktöötluses laetava paki kirjeldus (juhtstruktuurid). 

 Valik - valiku aeg, mis määrab ära valikukeskkonna ja mille jooksul süsteem kas alustab täitmist või loobub sellest. Kas tegu alustatakse. Teisiti öeldes ajaintervall, mil süsteem alustab ülesande täitmist. Sel ajal alustab tööd operatsioonisüsteemi osa -  kõrgtasemeplaanur. 

 Transleerimine - transleerimise keskkond. Ajaintervall, mille jooksul lähtetekst teisendatakse arvutisisesse koodi. 

 Kompileerimine - enamikel juhtudel transleerimise keskkonnale lisandub linkimise keskkond. Selle määrab ära ajaintervall, mille jooksul arvutisisene kood viiakse kujul, mis sobib vahetuks täitmiseks arvutis. 

 Käivitamine e. laadimine - käivitamise keskkond, mille määrab ära käivitamise aeg - intervall , mille jooksul ülesanne initsieeritakse, luuakse tegu s.t. protsessile kogum, talle jaotakse seadmed ja eraldatakse mälu kuid ka selliste ressursside eraldamine võib puududa. 

 Täitmine -  täitmiskeskkond, mille määrab täitmise aeg, mille ajal on tegu (job) aktiivne. Teisiti öeldes ajaintervall, mille jooksul  ülesanne (programm) on süsteemis aktiivne operatsioon , s.o. juhtblokk, kuhu kantakse ülesande nimi ja olek. Täitmise ajal kasutab programm vahetult arvutussüsteeemi ressursse ja operatsioonisüsteemi vahendeid. 

 Lõpetamine -  ajaintervall, mil täidetakse tellimus kõrvaldatakse süsteemist ning ressursid vabastatakse.
Selline ajaline jaotus kehtib nii pakktöötluses kui ka dialoogsüsteemis. Igas ajajaotuses juhib arvuti tööd operatsioonisüsteemi mingi struktuurne komponent . Sellele lisaks kasutakse mingis ajastaadiumis mõnda töötlusprogrammi või programmisüsteemi osa. Sisuliselt juhtimise- ja töötlusprogrammid erinevad põhiliselt selle poolest, kes ja kuidas neid käivitab. Seejärel neile muutuvast katkestuse maskist. Kõigis nendes 7 keskkonnast on operatsioonisüsteemis kõige tähtsam täitmiskeskkond. 
 

Operatsioonisüsteemi põhifunktsioonid

Selleks, et ressurssi juhtida ja jaotada tarbija vahel on vaja moodustada sihifunktsioon, et määrata ära need põhimõtted ja funktsioonid, mille alusel ressursi juhtimine hakkab toimuma. Tavaliselt on sihifunktsiooni arvatud järgmised muutujad:

• jobi (tegu) täitmise keskne aeg
  
• hilinenud lahenduste arv ajaühikus
  
• maksimaalne reaktsiooni aeg
  
• seadmete koormatuse aste garanteerib reaktsiooniaja
  

Kui on valitud nii üks või teine strateegia ilmneb, et ressursi juhtimine on soodus mõnedele ülesannetele ja ebasoodne teistele ülesannetele. Näiteks, kui esikohal on reaktsiooni aeg, siis lühemad ülesanded on ilmselt eelistatud. Juhul kui esikohal on seadmete koormatus on eelistatud suure ülesande parallelne lahendamine kõigi arvuti seadmetes . Selliseid põhimõtteid arvestades st. valides sihifunktsiooni, toimub protsessori juhtimine.
Protsessorit juhivad operatsioonisüsteemi komponendid, mida nim. plaanuriteks. Protsessi juhivad kolme tüüpi plaanurid:

• Kõrgtasemeplaanur;
  
• Madalataseme plaanur e. dispetser;
  
• Vaheplaanur, mis on vajalik arenenud katkestuse süsteemi korral. (kasut. multiprogrammeerimises ja virtuaalmasinates)
  

Kõrgtaseme plaanurid

Kõrgtaseme plaanur on operatsioonisüsteemi komponent, mis valib süsteemi saabunud ülesandeid ning viib nad protsessorite poolt teenindavatesse järjekordadesse. Plaanurid võivad teostada ka teiste ressurside eeljaotamist.Tavaliselt on plaanur iseseisev operatsioonisüsteemi tuuma osa ajajaotussüsteemides ja pakkejaotussüsteemides ning ilmutamata kujul reaalajasüsteemides. Sisendjärjekorrast protsessorite poolt teenindavasse järjekorda ülesande viimisel arvestab plaanur tavaliselt järgmisi kriteeriume.

ülesande e. jobi prioriteet (operatsioonisüsteemi tuuma enda poolt tekitatavad ülesanded);

mäluvajaduse järgi;

sisendväljund seadmete poole pöördumise ja ülesande pikkuse suhte alusel (sisendväljund/pikkus);

ette antud käivitamise aja järgi;

ette antud lõpetamise aja järgi.
Esialgse plaanimise käigus jaotatakse ülesandele ka põhimälu, prioriteetsed perifeeria seadmed (perif. seadmed, mille aja ressurss on piiratud) ja ülesande poolt kasutatud failid (nt. failisüsteemi)
Tupiksituatsioone peab plaanur vältima . Selleks on kolm meetodit:
a. Ennetamise meetod, st. seda et kunagi ei jaotata ühte ressursi lõpuni vaid jäetakse selles alati reserv tupiksituatsioonist väljumiseks.
b. Automaatne arvestamine toimub operatsioonisüsteemi programmide abil ning ressursid on pidevalt kasutamise alusel dünaamilises ümberjaotamises.
c. Häda abinõu, süsteemioperaaatori vahelesekkumine ja ühe ülesande eemaldamine süsteemist (see ei pea olema inimene, võib olla ka mingi spetsiaalne programm)

Madalamataseme plaanur e. dispetser.

Dispetser on operatsioonisüsteemi tuuma osa, mis pidevalt otsustab, milline protsess võetakse valmisoleku järjekorda ja antakse protsessorisse teenindamiseks. Dispetseri jaoks on igal protsessil 3 olekut:

tööolek - töötlusprotsess;

asumine valmisoleku järjekorras e. valmisolek;

asumine pooleliolevate protsesside järjekorras e. blokeeritud olek.

Vaheplaanur

Igal protsessil võib esineda ooteolek e. oode, mis eristab teda programmist. Kui süsteem võimaldab paralleelselt töödelda mitmeid ülesandeid ja blokeeritud ülesandeid koguneb palju, siis süsteemi luuakse vaheplaanur, mis toob ülesande blokeeritud olekust valmisoleku järjekorda, vastasel juhul blokeeritud ülesanded lähevad üldjärjekorras sisend järjekorda. Dispetseerimise ülesanne on protsessi valik valmisoleku järjekorrast ja ajakvandi määramine talle. On kasutusel neli põhilist dispetseerimise meetodit.
1. HPF -(Higest Priority First ) kõrgeima prioriteediga esimeseks - dispetseri ülesanne leida valmisoleku järjekorrast kõrgeima prioriteediga protsess ja tuua see esimeseks. Kasutakse siis kui prioriteedi määrab ära süsteem lähtudes oma sihifunktsioonist. Meetod realiseeritakse kasutades kahte erinevat mudelit:
Väljatõrjumisega - nõuab sisendjärjekorra pidevat reastamist iga programmi saabumisel või selle prioriteedi muutumisel.
Väljatõrjumiseta - ilma eelneva protsessi välja tõrjumiseta, ainult protsessori ajakava möödumisel.
Selle meetodi alusel kõik protsessid omavad prioriteedti ning paiknevad järjekorras järjestatud prioriteedi alusel. Selline süsteem taandub tihti põhimõttele SJF - Shortest Job First lühim ülesanne kõige enne, kuid on kasutusel lineaarselt kasvav prioriteedi mõiste, ning sellisel juhul valmisoleku järjekord teatud ajakvandi tagant reastatakse ümber.
2. Round Robin meetod e. mööda ringi. Selle meetodi alusel katkestatud protsessid ja uued protsessid on võrdväärsed, peetakse ainult ühte valmisoleku järjekorda ning igale protsessile antakse kordamööda ajakvant q. Sellise süsteemi korral on tähtis q suuruse õige määramine. Kui q on liiga väike siis kaudsed aja kulud (ümberlülitumine ühelt protsessilt teisele) kasvavad. Kui q on liiga suur siis, ooteajad hakkavad ebapropotsionaalselt pikaks muutuma . Ajasüsteemides on mõistlik määrata q sõltuvalt sisendjärjekorra pikkusest.
3. Selleks, et vähendada vastuolu pikkade ja lühikeste ülesande vahel on kasutusele võetud foreground - background meetod. Antud meetod seisneb selles, et kõigepealt kõik ülesanded saabuvad järjekorda kõrgeima prioriteediga ning neile antakse ajakvant q. Juhul kui sellest ajakvandist ei piisanud tuleb teostada katkestus, miis liigutab ülesande järgmisele tasemele e. järjekorra prioriteediga 2 jne. Põhimõte on, et süsteem teenindab mittetühja järjekorda, mille number on vähim, seega esiplaanil on jrk. 1 ning tagaplaanil ülejäänud jrk. numbrid . Kuid sisuliselt nii 2 kui ka 3 meetod eelistavad põhimõtet Shortest Job First. Selle vastuolu kõrvaldamiseks võetakse kasutusele CORBAT meetod
4. Corbat meetod, mille idee seisneb järgnevas. Igale süsteemi tulevale ülesandele määratakse järjekorra numbrist lähtudes ja ülesande teksti pikkusest, individuaalne ajakvant valemiga = q * 2 i-1 kus i on jrk. nr. Samas kehtib põhimõte, et süsteem teenindab mittetühja järjekordasid, mille number on vähim.

Kasutatud kirjandus

https://et.wikipedia.org/wiki/Operatsioonis%C3%BCstee m
http://www.lap.ttu.ee/erki/failid/konspekt/operatsioonisusteemid_lac5700/lac5700_konspekt_ii.html