2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK1 Operációs rendszerek Informatikus könyvtáros szak DL.

Az előadások a következő témára: "2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK1 Operációs rendszerek Informatikus könyvtáros szak DL."— Előadás másolata:

1 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK1 Operációs rendszerek Informatikus könyvtáros szak DL

2 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK2 Technikai információk Ajánlott irodalom: –Tannenbaum: Modern Operating Systems –Benyó - Fék - Kiss - Kóczy - Kondorosi - Mészáros - Román - Szeberényi - Sziray: Operációs rendszerek mérnöki megközelítésben. Panem, 2000. Az oktató elérhetősége: –PTE TTK Informatika és Általános Technika Tanszék, Pécs, Ifjúság útja 6. –marko@ttk.pte.hu

3 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK3 Bevezetés

4 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK4 A számítógép felépítése Hardver: a megfogható gép Szoftver: a gép működését vezérlő program –A program kicserélésével a gép viselkedése megváltoztatható!

5 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK5 Egy működőképes számítógép Hardver Operációs rendszer Alkalmazás felhasználó

6 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK6 A szoftverek Operációs rendszer Alkalmazások –könyvelés –szövegszerkesztés –grafika –... Segédprogramok –tömörítés –vírusírtás –...

7 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK7 Az operációs rendszer Meghatározza a számítógép “viselkedését” Többfajta operációs rendszer van: –DOS, … Windows 98, Windows 2000, Windows XP –OS/2 –Mac OS –Linux, Unix –VMS –… Ugyanazon a hardveren többféle operációs rendszer is létezhet (pl. Windows és Linux)

8 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK8 Az operációs rendszer feladatai 1. A hardver kényelmes használhatóságának biztosítása –a gépet kezelő személyek felé –a gépen futó alkalmazások felé A hardver hatékony és biztonságos működtetése kezelők alkalmazások hardver operációs rendszer

9 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK9 Az operációs rendszer feladatai 2. Operációs rendszer Háttér- tár perifériák memória processzor programok külvilág felhasználó

10 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK10 Az operációs rendszer feladatai 3. Folyamatkezelés Tárkezelés Bevitel / kivitel kezelése Fájlrendszer (háttértárak) kezelése Hálózatkezelés Védelmi és biztonsági rendszer Parancsértelmezés Felhasználóbarát kezelői felület biztosítása

11 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK11 Az operációs rendszerek jellemző típusai 1. Egyfelhasználós - többfelhasználós (multiuser) –többfelhasználós rendszereknél az aktuális felhasználót valahogy azonosítani kell Valós idejű (real-time) –garantált és gyors reagálás a külvilág jelzéseire –folyamatvezérlésre Multitaszkos –„egyidejűleg” több program is futhat

12 12 Az operációs rendszerek jellemző típusai 2. Időosztásos (time-sharing) –a processzor idejéből a futó programok ciklikusan egy- egy kis szeletkét kapnak Ügyviteli –nagy biztonság Tranzakció-orientált –egy tevékenységsorozat vagy teljes egészében végrehajtódik, vagy egyáltalán nem Server –nem az interaktív felhasználók, hanem más számítógépek igényeit szolgálja ki

13 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK13 Az operációs rendszerek felépítése Moduláris: –az egyes feladatokat külön modulok látják el –egy modul lecserélhető a többi módosítása nélkül Réteges: –mag (kernel): a legalapvetőbb szolgáltatások (állandóan az operatív tárban van) –héj (shell): felhasználói felület (itt lehet parancsokat adni) –segédprogramok (utility)

14 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK14 Folyamatkezelés

15 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK15 Folyamat (process) Egy végrehajtás alatt álló program Más lehetséges név: task, job (feladat) Egy programból úgy lesz folyamat, hogy –az op. rendszer betölti a háttértárról az operatív tárba –átadja neki a vezérlést A folyamat megszűnésekor az op. rendszer felszabadítja az általa foglalt tárterületet A modern op. rendszerek több folyamatot kezelnek egyidejűleg Maga az op.rendszer is több folyamatból áll

16 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK16 Születés és halál Minden folyamatot csak egy másik, már működő folyamat hozhat létre –ez nagyon sokszor az operációs rendszer –a folyamatok leszármazási viszonya „családfán” ábrázolható –egy „ősfolyamat” a gép bekapcsolásakor „magától” indul és felépíti az operációs rendszert (boot) A folyamatok általában saját akaratukból fejeződnek be Az op. rendszer képes erőszakkal leállítani egy folyamatot

17 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK17 A folyamatok típusai Független folyamatok: nincs köztük kölcsönhatás, nem befolyásolják egymás futását Versengő folyamatok: nem tudnak egymásról, de van közösen használt erőforrás –óvatosan kell programozni (deadlock)! –a konfliktusok megoldása az op. rendszer feladata Együttműködő folyamatok: eleve úgy programozták őket, hogy számítanak egymásra (kölcsönös adatcsere van köztük) –aszinkron: üzenetek postaládában –szinkron: az elküldött üzenet után várnak a címzett visszajelzésére

18 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK18 Deadlock Holtpont, patthelyzet Megelőzésére, észlelésére és feloldására többfajta algoritmus „A” folyamat „B” folyamat lefoglalja X-et lefoglalja Y-t lefoglalná X-et lefoglalná Y-t várakozás!

19 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK19 A folyamatok ütemezése (scheduling) Prioritásos: –a nagyobb prioritású folyamat mindaddig fut, amíg be nem fejeződik vagy (pl. I/O miatt) fel nem függesztődik –ilyenkor a következő kisebb prioritású folyamat futhat –amint a nagyobb prioritású folyamat újra futásképes, ő kapja meg a vezérlést Időosztásos: –mindegyik futásra váró folyamat azonos időszeletet kap –a futás joga ciklikusan körbejár Vegyes

20 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK20 Tárkezelés

21 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK21 Memória-hierarchia regiszterek cache (gyorsítótár ) operatív tár elsődleges háttértár (mágneslemez) másodlagos háttértár (mágnesszalag, CD) sebességméretár/bájt

22 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK22 Az operatív tár Csupa azonos méretű (egy bájtos) rekeszből áll A rekeszek folyamatosan sorszámozottak (0-tól kezdve) –ez a sorszám a rekesz címe Az éppen futó program kódja és az általa használt adatok az operatív tárban vannak

23 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK23 A tárkezelés feladatai A szabad és foglalt tárterületek nyilvántartása Az aktív folyamatnak elegendő tárterület biztosítása –szükség esetén fel kell szabadítani az éppen nem aktív programok által lefoglalt területet Az egyes folyamatok tárterületeinek védelme egymástól Virtuális tárkezelés

24 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK24 Virtuális tárkezelés

25 Dr. Istenes Zoltán (ELTE)25 Overlay technika (átlapolásos technika) Probléma : nagy program, kis memória Program feldarabolása, csak a szükséges darab(ok) a memóriában. A darabok cseréjét maga a program vezérli. data p p1 p2 p3 data p p1 data p p2 data p p3 program (a háttértáron) A memória tartalmának változása az időben

26 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK26 A virtuális memória ötlete (1961) A programok úgy készülhetnek, mintha a számítógépnek igen nagy memóriája lenne (virtuális címtartomány) Ennek a képzeletbeli memóriának a képét az operációs rendszer a háttértáron tartja Az operációs rendszer gondoskodik a mindenkor szükséges részeknek a memóriába való betöltéséről operatív tár a program által látott (virtuális) cím- tartomány háttértár op.r.

27 Dr. Istenes Zoltán, ELTE27 Lapok képzése lapok = azonos, rögzített méretű adatblokkok logikai címtartomány és a fizikai címtartomány felosztása lapokra logikai címtartomány fizikai címtartomány

28 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK28 Lapozás (paging) A virtuális címtartományt azonos nagyságú blokkokra (logikai lapokra, pages) osztják A fizikai címtartományt ugyanekkora fizikai lapokra (page frames) osztják A virtuális címek fizikai címekké alakítása egy hozzárendelési táblázattal (page table, PT) Minden programnak saját page table, aminek kezdőcímét a page table register (PTR) tartalmazza A programok közti átkapcsolás a PTR átírásával történik

29 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK29 Page fault Nyilvántartjuk, hogy egy program melyik lapjai vannak az operatív tárban és melyek a háttértárolón. Ez a különbség a program számára nem látható (transzparens). Ha a hivatkozott lap nincs az operatív tárban: page fault. Ilyenkor ezt a lapot be kell tölteni. Ez - mint minden I/O-művelet - a program futásának felfüggesztéséhez vezet.

30 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK30 Swap Lapcsere Ha az operatív tárban nincs szabad hely az éppen betöltendő lapnak Egy bentlévő lapot kiírnak a háttértárra (swap fájl), a helyére hozzák be a másikat

31 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK31 A szegmentálás igénye A fix blokkméret természet- (logika-) ellenes. Pl. a fordítóprogramok munkájuk során több, előre nem látható méretű, nagy táblázatot kezelnek: –szimbólumtábla (a változók neve és tulajdonsága) –forráskód (kilistázáshoz, debughoz) –a programban használt konstansok –a forráskód szintaktikus elemzéséhez használt elemzési fa –hívási verem a szubrutinokhoz Szegmens: –független, 0-val kezdődő címtartomány –változó méretű blokk, igény szerint nőhet

32 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK32 Előnyök szegmentálásnál Feltesszük, hogy a végrehajtható program külön szegmensben tartja az utasításokat (kódszegmens) és az adatokat (adatszegmens) Takarékosság a memóriával: –Ha több felhasználó ugyanazt a programot futtatja, a kódszegmenset csak egy példányban kell betölteni (de mindenkinek külön adatszegmens) Programhibák elleni védelem: –a kódszegmens írásvédett, de olvasható és végrehajtható –az adatszegmens nem végrehajtható, de írható és olvasható

33 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK33 Külső fragmentálódás A 26K B 12K C 10K D 9K 7K memória idő t0t0 A 26K 22K D 9K 7K t1t1 A 26K E 15K 7K D 9K 7K t2t2 F 10K ? A 26K E 15K D 9K 14K átrendezés után F 10K

34 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK34 Lapozott szegmentálás A lapozás és a szegmentálás kombinációja: 1. szint: szegmentálás, 2. szint: lapozás Jelenleg széles körben elterjedten használják. RWX DPDP VSVS virtuális cím DPDP RPRP fizikai cím LSLS RWXP szegmenstábla segment table register ST[V S ] PTP VPVP RPRP P hozzáférési jogosultság a szegmens laptáblája

35 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK35 Bevitel / kivitel kezelése

36 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK36 A perifériák hardveres kezelése 1. A fő probléma a CPU és a perifériák sebességének nagy eltérése Az I/O-műveleteket aszinkron módon végzik –a processzor csak elindítja a műveletet, de nem várja meg a befejezését, hanem más tevékenységet végez –magát az adatátvitelt külön vezérlő áramkörök (csatornák) felügyelik, párhuzamosan működnek a CPU-val A csatorna és a periféria közé eszközvezérlő áramköröket építenek –a csatorna jeleit az adott periféria igényei szerint átalakítják

37 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK37 A perifériák hardveres kezelése 2. Egy gépben több csatorna is lehet, egy csatornához több eszközvezérlő, egy eszközvezérlőhöz több eszköz is kapcsolódhat CPU csatornák eszköz- vezérlők perifériák

38 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK38 A perifériák szoftveres kezelése Az alkalmazások nem kezelhetik közvetlenül a perifériákat (konfliktuslehetőség!) Írásra / olvasásra mindig az op. rendszert kell megkérniük A tényleges adatátvitel megvalósítása több szinten keresztül történik

39 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK39 Meghajtóprogramok (driverek) 1. Csatoló-meghajtó: a fizikai csatlakozást megvalósító csatoló (pl. USB-port) vezérlésére Eszközmeghajtó: az adott eszköznek (pl. nyomtató) megfelelő parancsok előállítása Ha hiányzik egy driver, nem tudjuk az adott eszközt használni Lásd a Windowsban a Vezérlőpult / Rendszer / Eszközkezelő szolgáltatást: –USB-port - egér –videokártya - monitor

40 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK40 Meghajtóprogramok (driverek) 2. Az alkalmazás igénye: 18 pontos félkövér Times New Roman típusú „A”-t kell nyomtatni A nyomtatódriver előállítja azt a bájtsorozatot, amit e cél eléréséhez az adott nyomtatónak el kell küldeni Az USB-port (vagy a párhuzamos port) drivere gondoskodik a bájtsorozat elküldéséről

41 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK41 Megszakítás (interrupt) Egy váratlan esemény lép fel (pl. egérkattintás) Az éppen futó program felfüggesztődik Lefut az ilyen megszakítás kezelésére készített program Az eredeti program futása információvesztés nélkül tovább folytatódik

42 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK42 Pufferelés Gazdaságosabb több adatot átvinni (írni vagy olvasni) egy műveletben A programok tetszésük szerinti adatmennyiségekre adnak ki pl. írási utasítást Az op. rendszer egy ideiglenes tárterületen - a pufferben - gyűjti a kiírásra szánt adatokat Amikor kellő mennyiség összejön, elvégzi a tényleges kiírást A programok úgy érzékelik, mintha a tényleges adatátvitel mindig megtörténne

43 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK43 A fájlpuffer íráskor write(adatok, a); write(adatok, b); write(adatok, c); write(adatok, d); a a b a b a c a d b c c b d d

44 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK44 A fájlpuffer olvasáskor read(adatok, a); read(adatok, b); read(adatok, c); read(adatok, d); a a b a b a c d d b c f e b c c logikai olvasás fizikai olvasás

45 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK45 Spool Simultaneous Peripheral Operation On-Line Éppen dolgozó eszközre ad egy alkalmazás újabb írási parancsot Az op. rendszer a kiírandó információkat egy ideiglenes spool-fájlban tárolja (akár többet is) Ha az eszköz felszabadul, az op. rendszer kiírja rá a következő spool-fájl tartalmát Az alkalmazás nem vesz észre semmit Következmény: pl. a nyomtatásnál sorban álló feladatok közül lehet törölni

46 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK46 Fájlrendszer (háttértárak) kezelése

47 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK47 A fájl fogalma 1. A fájl (file) véges bit- (bájt-) sorozat 2. A fájl azonos adattípusú komponensek (rekordok) sorozata Következmények: –lineáris adatszerkezet –van eleje, vége és mérete –minden rekordnak van sorszáma Az elnevezés eredete: –record: kartotéklap –file: irattartó, mappa BOF1. rekord2. rekordn. rekordEOF... end of file beginning of file Nem csak háttértáron!

48 48 A fájlban lévő adatok elérése Mindig van egy aktuális fájlpozíció, ez mindig egy rekord kezdete (rekordmutató) A fájlba írni vagy abból olvasni ettől a pozíciótól kezdve lehet (Nem lehet darab rekordot írni vagy olvasni.) Írás vagy olvasás után az aktuális fájlpozíció a következő rekord elején van. Örökség abból a korból, amikor a mágnesszalag volt a háttértároló: író-olvasó fej

49 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK49 Szokásos fájltípusok Soros elérésű (szekvenciális) fájl –mint az előző ábrán Közvetlen elérésű (direkt) fájl –bármelyik adatelem a sorszáma alapján közvetlenül elérhető Index-szekvenciális –a rekordoknak kulcsmezőik vannak –ezek értéke alapján lehet az egyes rekordokat elérni –a megvalósításhoz egy segédfájl (indexfájl)

50 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK50 Szokásos fájlműveletek Adatelérés (írás vagy olvasás) Hozzáírás (append) Pozicionálás Megnyitás (open) Lezárás (close) Végrehajtás, futtatás (execute) Létrehozás (create) Törlés (delete)

51 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK51 Fájlkezelés (file management) Fájlok írása a háttértárra és olvasása a háttértárról Kiírt fájlok megtalálása Könyvtárak kezelése Jogosultsági rendszer biztosítása A háttértárak területével való gazdálkodás

52 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK52 Hálózatkezelés

53 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK53 Védelmi és biztonsági rendszer

54 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK54 Parancsértelmezés

55 2005.09.20.Markó Tamás, PTE TTK55 Felhasználóbarát kezelői felület