Operációs rendszerek I.

Neumann elvű gépek jellemzői Tárolt program: Az utasításokat az adatokkal azonos módon, közös nagy kapacitású memóriában, numerikus kódok formájában kell tárolni. Kettes számrendszer: Az adatok- és program kódok ábrázolására a kettes számrendszert kell alkalmazni. Vezérlőegység: Szükség van egy olyan vezérlőegységre, amely különbséget tud tenni utasítás és adat között, majd önműködően végrehajtatja az utasításokat. Aritmetikai-logikai egység (ALU): A számítógép tartalmazzon olyan egységet, amely az aritmetikai műveletek mellett képes elvégezni az alapvető logikai műveleteket is. Perifériák: Szükség van olyan ki/bemeneti egységekre, amelyek biztosítják a kapcsolatot az ember és a számítógép között.

Egy program futása során a processzor az utasításszámláló regiszterében található cím alapján a memóriából utasítást hív le (fetch), értelmezi (decode), majd végrehajtja azt (execute), és az utasításszámlálót a következő utasítás címére állítja. A memória és a processzor együttműködésének folyamatát írja le az úgynevezett Neumann-ciklus:

Perifériákkal való kommunikáció Lekérdezéses átvitel (polling): A processzor folyamatosan kérdezi le a periféria állapotát, és ha érdemleges információt talál, beolvassa azt. A módszer legnagyobb hátránya, hogy a processzor folyamatosan foglalt, a periféria átvitel alatt semmi mást nem képes csinálni

Perifériákkal való kommunikáció Megszakításos átvitel (Interrupt ReQest - IRQ): A periféria a számára kijelölt megszakítás kérő vonalon értesíti a megszakítás vezérlőn keresztül a processzort, ha adatátvitelt igényel. A kérés elfogadása esetén a CPU egy időre félreteszi éppen végzett munkáját, kiszolgálja a perifériát, majd folytatja ott, ahol abbahagyta. A processzor ez esetben nincs teljesen kiszolgáltatva a perifériának, viszont a programok közötti átkapcsolás, a visszatéréshez szükséges információk elmentése adminisztrációt, szervezést igényel, időt vesz el.

Perifériákkal való kommunikáció Közvetlen memória átvitel (Direct Memory Access - DMA): DMA esetén a memória és a periféria közötti átvitel a processzortól függetlenül, önálló vezérlő segítségével történik. A processzor egy pillanatig sem foglalt (ez nem mondható el azonban a buszról), mindössze az átvitel megkezdése előtt a kezdő memóriacímet, és az átadandó blokk méretét kell közölnie a vezérlővel

Az operációs rendszerek fejlődése Az 1940-es években megjelent első elektronikus számítógépeknek nem volt operációs rendszerük. Az 1944-ben készített jelfogós Mark I, és az 1946-os elektroncsöves ENIAC már bináris elven működött, de a mai értelemben tulajdonképpen nem is volt igazi számítógép, programozásához huzalok százait kellett átdugdosni.( mechanikus programozási módszer) Az első tárolt program elvén működő Neumann-féle számítógép 1949-ben, Angliában készült, és a vezetékek cseréje helyett kapcsolók segítségével bitenként lehetett programozni.

Programfuttatás a 40-es években A felhasználó a jó előre lefoglalt gépidő kezdetén, hóna alatt a félméteres lyukkártya csomaggal megérkezett. A konzolírógépen begépelte a jelszavát és ezzel törölte a tár korábbi tartalmát. Beletette a FORTRAN fordító kártyacsomagját, majd a saját fordítandó programját a kártyaolvasóba, és megnyomta a “betöltés” gombot. Ha minden jól ment, kisvártatva a kártyalyukasztón új kártyák sorakoztak, sikerült a fordítás! Újra a tár törlése következett és most már a lefordított program, az adatok betöltésére majd a futtatására kerülhetett sor. Ha ekkor is minden kedvezően alakult, kattogni kezdett a konzol írógép, megszületett az eredmény.

Kötegelt feldolgozás Batch feldolgozás General Motors laboratóriumában - első operációs rendszert Számítógép vezérlését végző program (Monitor)

Jobcontrol language A gépi kód szintű ASSEMBLY és a magas szintű FORTRAN mellett új nyelvcsalád jött létre, a parancsnyelvek (command language, command interpreter, jobcontrol language) családja.

1960-as évek - mágneslemez A futó program által beolvasandó adatokból (és mint speciális adatból, magából a programból) annyit tárol, amennyit csak lehetséges, és a kimenő adatok gyors rögzítésére és megőrzésére is alkalmas. (CPU felügyelet nélkül-DMA!!!) Az ilyen rendszerek a lefordíthatatlan SPOOL rendszer nevet kapták. ( Simultaneous Peripheral Operations On Line rövidítése volt) - párhuzamos perifériaműveletek végzésének képességére utalt

Mágneslemezek előnye A mágneslemezen egyszerre több munka is volt. CPU válogathatott a futásra várakozó munkák között, különbséget tehetett azok fontossága, vagy a kedvezőbb kihasználtság szempontjából. Adatok tárolhatók rajta újbóli felhasználás (pl. programok) vagy további feldolgozás (pl. eredmények) céljából File-ok/mappák megjelenése!

Multiprogramozás (Többfeladatos rendszerek Ha egy rendszerben két (vagy több) önállóan működni képes eszköz van (esetünkben a processzor és a mágneslemez egység), a munkafolyamatok párhuzamosítására is lehetőség kínálkozik. ÁTLAPOLÁSI TECHNIKA Hatékony működése: az egyszerre végrehajtott munkák együttes periféria-idő igénye pontosan megegyezik az együttes CPU idő igénnyel Kialakultak a vezérlőprogram által ellátandó alapfunkciók, amelyeket összefoglaló néven rendszermagnak nevezünk. A kezelői felület, a burok (shell) és a mag (kernel) együttese alkotja az operációs rendszert (operating system).

Az operációs rendszereknek a hardver, illetve a szoftver oldalról nézve következő feladatokat kellett ellátniuk: Eszközkezelők (Device Driver) Megszakítás kezelés (Interrupt Handling) Rendszerhívás, válasz (System Call, Reply) Erőforrás kezelés (Resource Management) Processzor ütemezés (CPU Scheduling) Memóriakezelés (Memory Management) Állomány- és lemezkezelés (File and Disk Management) Felhasználói felület (User Interface), A parancsnyelveket feldolgozó monitor utódja, fejlettebb változata, melynek segítségével a felhasználó közölni tudja a rendszermaggal kívánságait, illetve annak állapotáról információt szerezhet. A felhasználói programok elől el kell fedniük a perifériák különbözőségét, egységes kezelői felületet kell biztosítani. Alkalmas kell legyen a perifériák felől érkező kiszolgálási igények fogadására, megfelelő ellátására. Az operációs rendszer magjának ki kell szolgálnia a felhasználói alkalmazások (programok) erőforrások iránti igényeit úgy, hogy azok lehetőleg észre se vegyék azt, hogy nem közvetlenül használhatják a perifériákat. Erre szolgálnak a programok által kiadott rendszerhívások, melyekre a rendszermag válaszokat küldhet. Az egyes eszközök közös használatából származó konfliktusokat meg kell előznie, vagy bekövetkezésük esetén fel kell oldania. Az operációs rendszerek ütemező funkciójának a várakozó munkák között valamilyen stratégia alapján el kell osztani a processzor idejét, illetve vezérelnie kell a munkák közötti átkapcsolási folyamatot. Gazdálkodnia kell a memóriával, fel kell osztania azt a munkák között úgy, hogy azok egymást se zavarhassák, és az operációs rendszerben se tegyenek kárt.

Interaktív rendszerek (multiprogramozás)

Interaktív rendszerek jellemzői Válaszidő Időosztás A perifériák között megjelenik az óra, amely az idő felosztását vezényli (időosztás, time sharing).- Figyelni kell a felhasználókra Felhasználói felület. A kötegelt rendszerekben alkalmazott parancsnyelvet ki kellett váltania egy olyan parancs-értelmezőnek (command interpreter) amely lehetővé teszi, hogy a felhasználó közölhesse óhajait a számítógéppel Felhasználói adminisztráció. Az operációs rendszernek a munkafolyamatokon kívül a felhasználókat is könyvelnie kell. felhasználói jogosultsággal kapcsolatos biztonsági kérdések. Igényként jelentkezik az egy gép termináljai előtt ülő felhasználók egymás közötti kommunikációja.

Személyi számítógépek elterjedése Tranzisztor felfedezése Mikroelektronika fejlődése – integrált áramkör 1975 első PC: Alter 8800 – egérrel vezérelt grafikus felület (WYSIWYG - What You See Is What You Get - Ami a képernyőn, az a nyomtatón) Az egyes gépek Ethernet hálózaton kommunikálhattak egymással! PC-k terjedése Felhasználó fontossága

IBM (1981-) APPLE (1982-) IBM a jól kezelhető, megbízható operációs rendszert támogatta erősebben, Apple a grafikus felületeket, és a magas szintű alkalmazásokat részesítette előnyben. Az IBM PC sikere jórészt a BASIC programozási nyelv és a DOS operációs rendszer megjelenéséhez kötődik

90-es évek Windows 3.1 megjelenésével a grafikus kezelői felület általánossá vált, A Windows már több feladatot tudott egy időben kezelni Novell: erőforrások megosztása, kialakultak a lokális hálózatok (LAN), a hálózati funkciókat ellátó gépek, a szerverek pedig már több interaktív felhasználó több feladatát futtatták.

A számítástechnika fejlődése a 70-es évektől kettévált A számítástechnika fejlődése a 70-es évektől kettévált. PC – felhasználói igények; Nagygépek- processzorteljesítmény

90-es évek vége „Olcsó” nagy teljesítményű processzorok „Olcsó” korszerű, -kis méretű alkatrészek Hálózat helyett PC-s megosztás INTERNET – operációs rendszerektől függetlenül működő hálózat

Unix operációs rendszer 60-as évektől napjainkig Számítástechnika változásainak követése Rugalmas: minden konfigurációhoz, mindenfeladathoz igazodik. OSI modell (hálózat) POSIX (rendszerspecifikáció)

Többprocesszoros rendszerek A több processzor egyidejű használata: nagyobb megbízhatóságot eredményezett, megteremtette a lehetőséget, a programágak párhuzamos végrehajtása által, a feldolgozás gyorsítására Operációs rendszerek – megoldandó a - folyamatok közötti kommunikáció - szinkronizálás

Többprocesszoros rendszer előnyei Megnövekedett átbocsátó képesség Erőforrás megtakarítás Megbízhatóság (hibatűrő rendszerek) Két fő típus: Szimmetrikus (minden proc. Egyenértékű) Aszimmetrikus (egyes processzorok feladata előre rögzített) N darab processzor párhuzamos alkalmazásától azt várjuk, hogy a feladatok végrehajtási ideje N-ed részére csökken, azaz a rendszer N-szer annyi feladatot képes adott idő alatt elvégezni. Nem szabad azonban megfeledkezni a megnövekedett adminisztrációval, szinkronizációval járó többlet időről sem. Azoknál a feladatoknál, ahol a CPU jelenti a szűk keresztmetszetet, szükségtelen minden perifériát és memóriát többszörözni. Ha több funkcionális egység ugyanazt a feladatkört tölti be, egyikük meghibásodása nem okoz katasztrófát, némi teljesítmény csökkenés árán a rendszer működőképes marad

Elosztott rendszerek loosely coupled systems-a processzorok csak laza kapcsolatban vannak Minden processzornak saját memóriája van, saját perifériáikkal rendelkezhet A processzorok közötti kapcsolat valamilyen kommunikációs csatornán (telefon vonalon, lokális hálózaton) Pl: számítógép hálózatok

Elosztott rendzsrerek előnyei Rugalmasság. Az elosztott rendszerek komponensei lehetnek a legkülönbözőbb méretű, kiépítettségű, más-más gyártótól származó számítógépek, így minden feladathoz a legmegfelelőbb összeállítás alakítható ki. Eroforrás megosztás. A hardver erőforrásokon kívül igen nagy szerepe van az adatbázisok, információs bázisok elosztott használatának. Az adatokat a keletkezés helyén frissíthetik, így mindig aktuális marad. Sebességnövekedés. Nagyobb, számításigényes feladatra igénybe vehetjük egy nagyszámítógép processzorait, vagy a terhelést megoszthatjuk több, kicsi számítógép között. A munkák érkezésének megfelelően a számítási kapacitás átcsoportosítható.

Elosztott rendzsrerek előnyei Megbízhatóság. Az egyik komponens meghibásodása nem befolyásolja alapvetően az egész rendszer működését, némi sebesség csökkenéssel számolhatunk. Abban az esetben, ha a meghibásodott számítógép valamilyen kritikus feladatot lát el (például kizárólag ez szolgálja ki a terminálokat) a hiba az egész rendszer működését leállíthatja. Kommunikáció. Az összekapcsolt gépek között adatcsere történhet akár állományok továbbítása, akár elektronikus levelezés formájában

Operációs rendszerek mindenütt Mobiltelefonok: Windows mobile Linux Symbian OS (Ericson, Nokia, Siemens, Panasonic..) - ARM (Advanced Risc Machine) architektúrájú telefonokon fut. (32 bites RISC processzor architektúrája) EPOC/EPOC2 Fénymásolók Faxok: Windows 2000 Windows XP Windows Vista Home Basic – SHARP

2. Funkcionális megközelítés Mi szükséges ahhoz, hogy egy alkalmazás, például egy táblázatkezelő program futhasson? logikai áramkör, amelyekből felépíthetők a processzorok alapegységei, az ALU, a vezérlőegység és a regiszterek, mikroprogram tár (gépi kódú utasítások végrehajtását vezérlő program)

Összefoglalva Az operációs rendszer fogalma:     Olyan egymással együttműködő programok rendszere, amelynek feladata a számítógép hardver elemeinek összehangolása és a felhasználóval történő kommunikáció biztosítása

Feladata a perifériák tesztelése, a gépi erőforrások kezelése programok indítása, működtetése a feldolgozás ütemezése vagyis a gépi erőforrás-megosztás a futó programok között adatok kezelése programok és adatok biztonságos megőrzése a működési zavarok jelzése párbeszédes kapcsolattartás a gép kezelőjével

A kernel feladatai Ki- és bemeneti eszközök kezelése (billentyűzet, képernyő stb.) Memória-hozzáférés biztosítása Processzor idejének elosztása Háttértárolók kezelése Rendszerhívások kiszolgálása Fájlrendszer

A shell feladatai Kapcsolattartás a felhasználóval (felhasználói felület) Alkalmazások futásának kezelése (indítás, futási feltételek biztosítása, leállítás)

Csoportosításuk Kezelői felület szerint: A felhasználók száma szerint: szöveges (MS DOS, UNIX) grafikus (Windows 95, Windows NT, OS/2) A felhasználók száma szerint: egyfelhasználós (MS DOS) többfelhasználós (NOVELL, UNIX Az egyidőben futtatható programok száma szerint: monoprogramozott (MS DOS) multiprogramozott (Windows, UNIX)

Csoportosításuk Gépek száma szerint: Cél szerint: egyedi: csak egy gépet tud kiszolgálni. hálózati: több gépet ki tud szolgálni, egyes hardver egységeket több gép tudja egyszerre használni (Windows NT) Cél szerint: általános (DOS, WIN 9X, WIN NT, UNIX) speciális (folyamatvezérlő operációs rendszerek, pl. egy terminál esetén, bár nem ritkán egy bankautomatánál is kifagyhat az XP)