Personaalarvuti operatsioonsüsteemi funktsioonid (0)

Tallinna Polütehnikum
IT- ja kommunikatsiooniosakond
Personaalarvuti operatsioonsüsteemi funktsioonid
Autor: Erko Väin
Tallinn 2017

Sisukord

Personaalarvuti operatsioonisüsteemi funktsioonid 3
Operatsioonisüsteemide erinevad tüübid 6
Rakendusliides 7

Personaalarvuti operatsioonisüsteemi funktsioonid

Personaalarvuti koosneb riistvara - ja tarkvarakomponentidest. Viimase mõiste alla kuuluvad:
Operatsioonisüsteem ( Operating System edaspidi OS) vahendab arvutikasutaja suhtlust arvuti riistvaraga. OS'i eesmärk on muuta arvuti kasutamine mugavaks, võimaldades käivitada kasutajarakendusi ja aidates lahendada veaolukordi.
Rakendustarkvara - erinevad rakendusprogrammid, mis pakuvad kasutajale vajalikku funktsionaalsust tööülesannetetäitmiseks arvutil.
Joonis 1. Arvuti riist- ja tarkvarakomponendid(Allikas: Learning Materials for Information Technology Professionals (EUCIP-Mat))
Joonis 2. Rakendustele riistvararessursside jagamine(Allikas: Learning Materials for Information Technology Professionals (EUCIP-Mat))
OS vahendab rakendusprogrammide pöördumist riistvarakomponentide poole läbi spetsiaalsete liideste . See võimaldab rakendustele juurdepääsu süsteemi riistvararessurssidele jättes OS'i hooleks riistvara poole pöördumise spetsiifika,riistvararessursside halduse ning konfliktide välistamise. Tüüpilise personaalarvuti OS'i funktsioonid on:

• Kasutajakeskkond seadmetega töötamisel
  
• Automaatne sisend -väljund (edaspidi S/V)seadmetekonfimine
  
• Rakenduste liides seadmete poole pöördumiseks
  
• Keskkond rakenduste loomiseks
  
• Ressursi (CPU, RAM, failisüsteem, jne) jagaja
  
• Arvutivõrgu toetus (protokollid, veebilehitseja )
  
• Turvavahendid (autentimine, tulemüür, failisüsteemi ACL, krüpteerimine, installi- ja kasutuspiirangute konfimine tavakasutajatele).
  

KaasaegseteOS'ide arendusel tehakse tööd, et toetada uuemat riistvara, uusi rakendusi ja kaitsta OS'i turvaohtude eest. Riistvarakomponentide osas on arengut suunanud multiprotsessorsüsteemide kiire areng, kõrged taktsagedused, massmäluseadmete suurenenud andmemahud. Rakenduste osas on OS'i arengu mõjutajateks multimeediarakendused, internet ja võrgundus, klient / server lahendused ja virtualiseerimine.Nende väljakutsete mõjul tehakse OS'ide arendamiseks tööd järgmistes kategooriates:

• Mikrokernel- arhitektuur (Microkernel architecture ) - kompaktne kernel , mida toetavad eraldi lisakomponendid
  
• Hargtöötlus (Multithreading) - võimaldab protsessi käivitamise jagada lõimedeks, mida saab käivitada paralleelselt
  
• Sümmeetriline multitöötlussüsteem (Symmetric multiprocessing) - protsessorid jagavad sama põhimälu ja S/V moodulit ning võivad käivitada võrdselt kõiki protsesse.
  
• Objekt-orienteeritud disain - võimaldab lisada laiendusi kompaktselekernelile, kohandada OS'i ja lihtsustab jagatud tööriistade arendamist .
  
• Hüperviisor (Hypervisor) - virtualiseerimise haldur , mis paigaldub õhukese tarkvara kihina riistvara ja kerneli vahele ning võimaldab ära kasutada riistvaralise virtualiseerimise toetuse ja hallata nii mitmeid erinevaid operatsioonisüsteeme samas füüsilises masinas.
  

Operatsioonisüsteemipõhikomponendid on kokku võetud ainulaadsesse programmi, mida nimetatakse kerneliks ehk tuumaks. Kernel võib olla ehitatud kas suure monoliitse arhitektuuriga (monolithic architecture), mille puhul kernel sisaldab kõike vajaliku OS'i funktsioneerimiseks ja sealhulgas plaanuri, failisüsteemi, võrgunduse, seadmedraiverid, mäluhalduse jne. Mikrokernel-arhitektuuri puhul on kernelis ainult kõige põhilisemad funktsioonid nagu protsesside plaanur, protsessidevaheline kommunikatsioon, katkestuste ja erandite töötlus ja mitmeprotsessorsüsteemi sünkroniseerimine. Ka sisaldab mikrokernel alamprotseduure ja baasobjekte, mida kernelit ümbritsevad ja kernelirežiimis töötavad komponendid saavad kasutada.Microsoft Windows OS'id on modulaarsed ja kasutavadmikrokernel-arhitektuurile sarnast lähenemist. Linux OS kasutab monoliitse kerneliga arhitektuuri. Windowsi kerneli ümber on koondatud muud kernelirežiimis töötavad komponendid, mis pakuvad kõiki OS'i teenuseid nagu mälu haldus, protsessi ja lõimede haldus, turvalisus, S/V, võrgundus, protsesside vaheline kommunikatsioon ja graafilise kasutajaliidese funktsioonid. Kernelirežiimis töötavad ka seadmete draiverid , mis muundavad S/Vfunktsioonide käske spetsiifilisteks riistvaraseadmete S/V päringuteks. Kernelirežiimis töötavad komponendid peavad olema väga hästi testitud ja draiverid OS'iga ühilduvad, sest häired nende töös muudavad ebastabiilseks kogu OS'i.
Selleks, et kaitsta OS'i kasutajarakenduste eest on OS'is kasutusel erinevad protsessori režiimid kernelile ehk kernelirežiim (Kernel Mode või Supervisor Mode) ja kasutajarakendustele ehk kasutajarežiim ( User Mode). Kasutajarakendused töötavad kasutajarežiimis ja OS'irakendused (süsteemi teenused ja seadmete draiverid) töötavad kernelirežiimis. Selles režiimis rakendused jagavad ühtset virtuaalset aadressiruumi. Kernelirežiim käivitatakse protsessori privilegeeritud käivitusrežiimis, mis tagab juurdepääsu kõigile protsessori käskudele ja kogu süsteemimälule. Erinevate töörežiimide rakendamine võimaldab välistada, et vigane kasutajarakendus ohustaks süsteemi kui terviku stabiilsust.

Operatsioonisüsteemide erinevad tüübid

Operatsioonisüsteemide jaotus töötluse liigi järgi:
Pakktöötlus ( batch ) - selle puhul on tegemist OS'iga, kus mingi ülesande täitmiseks peab olema ettevalmistatud valmis programm, mida siis järjest täidetakse. Kasutaja ei saa sekkuda programmi täitmisse ehk teisisõnu interaktiivsus sellise OS'i puhul puudub. Võimalik on tööde lisamine tööjärjekorda, mis siis järjest läbi protsessitakse.
Ajajaotuslik (time-sharing) - sellise OS'i puhul jagab OS protsessori aja erinevate rakendusprogrammide käivitamiseks kvantumiteks, mida jagatakse protsessidele vastavalt eelseadistatud reeglitele. Ajajaotuslikud OS'id võimaldavad käivitada mitmeid rakendusi samaaegselt (multitasking) ja võimaldavad mitmel kasutajal töötada samas arvutis samaaegselt. Ajajaotuslik OS on interaktiivne. Kaasaegsed opratsioonisüsteemid on ajajaotuslikult üles ehitatud.
Reaalajaline ( real -time) - sellised OS'id on missioonikriitilistele rakendustele, kus on vajalik reageerimise ajaline täpsus. Näiteks kuuluvad selliste rakenduste alla meditsiinilise jälgimise rakendused, auto pidurdamisel rataste blokeerumist takistav rakendus, tuumaelektrijaama juhtimissüsteem, jne.

Rakendusliides

Rakendusliides (API - Application Programming Interface ) on liides, mis võimaldab luua ühenduse erinevate programmide vahel. Rakendusliides võib olla kaasatud erinevat moodi:

• Programmeerimiskeskkonda integreeritud näiteks C++ või Java API
  

Spetsiifiliseks otstarbeks näiteks Google Maps API või Java API XML veebiteenusele. Google Maps API abil saab veebiteenuse pakkuja oma veebilehel rakendada kaarditeenust asukohtade lokaliseerimiseks kaardil läbi Google'i poolt pakutava rakendusliidese.

• OS'i rakendusliides on liides, mida kasutavad rakendused OS'i teenustele juurdepääsemiseks. Selline rakendusliides on näiteks Windows API. Viimane pakub rakendustele kõiki OS'i teenuseid ja igale OS'i teenusele vastab üks API protseduur .
  

 
Joonis 3. OS’i Rakendusliides Paikneb Rakenduste Ja Kerneli Vahel(Allikas: Learning Materials For Information Technology Professionals (EUCIP-Mat))
Erinevad teenused, mis läbi Windows API rakendusliidese kättesaadavaks tehakse on järgmised:

• Baasteenused (Base Services ), mille hulka kuuluvad protsessihaldus , mäluhaldus, S/Vfunktsioonid ja turvalisus.
  
• komponenditeenused (component services) - rakenduste omavaheliseks suhtlemiseks
  
• Kasutajaliidese teenused (user interface services) - erinevate menüüde ja akendega suhtlemiseks
  
• Graafika ja multimeedia teenused (Multimedia and Graphics Services)
  
• Sõnumivahetus ja koostöö (Messaging and Collaboration)
  
• Võrgundus (Networking)
  
• Veebiteenused (Web Services)
  

Kaasaegsed OS'id on juhitavad  katkestuste kaudu (Interrupt driven). Sündmused käivituvad katkestuste või erandite poolt. Erandid (Exceptions või Trap) on tarkvara poolt genereeritud katkestused kas veaolukorra tekkimisel või kasutajarakenduse poolt OS'i teenuse nõudmiseks. Erinevate katkestuste täitmiseks on eraldi alamprogrammid OS'is. API poole pöördumine toimub kasutajarakendustel süsteemikutsete (System Call ) abil. Turvakaalutlustel ei saa rakendused süsteemikutseid otse välja kutsuda, vaid vajavad selleks katkestuste mehanismi, millega tekitatakse tarkvaraline katkestus protsessorile, mis omakorda põhjustab katsetuste halduri käivituse OS'ikernelirežiimis. Käsk , millega süsteemiteenus välja kutsutakse sõltub protsessorist. Näiteks kaasaegsetel Inteli protsessoritel on see käsk sysenter ja selle väljakutse kasutamiseks salvestab OSkerneli süsteemihalduri alamprogrammi aadressi spetsiaalses registris MSR (MachineSpecific Register), mis on seotud selle käsuga. Käsu käivitamine tekitab lülituse kernelirežiimi ja süsteemiteenuse haldurprogrammi käivituse. Süsteemiteenuse number loetakse läbi protsessori EAX registri ja läbi EDX registri antakse edasi väljakutse argumendid. Kasutajarežiimi naasmine toimub protsessori sysexitvõi iretdkäsu abil. Süsteemiteenuste teenindusprogrammide aadressid on spetsiaalses tabelis, kust süsteemiteenuste haldur soovitud teenuse tuvastab.
9