Operačné systémy a správa pamäte

Operačné systémy a počítačové siete

• Prednášajúci: RNDr. Jaroslav Janáček, PhD.
• Kontakt: [email protected]
• Cvičenia: Mgr. Marek Šuppa
• Rozvrh prednášok: štvrtok 11:30 v F1, 2 hodiny
• Rozvrh cvičení (DAV + BIN): streda 16:30 v H6, 2 hodiny
• Web: prednášky: http://www.dcs.fmph.uniba.sk/osps/

Organizačné informácie

• Hodnotenie: DAV + BIN: 50 % z cvičení, 50 % z testu z tém z prednášok; MAT: 50 % z aktívnej účasti na prednáškach, 50 % z testu
• Hodnotenie testu: ≥60% E, ≥68% D, ≥76% C, ≥84% B, ≥92% A

Cieľ predmetu

• Získať prehľad o:
  • Princípoch fungovania počítačov
  • Úlohách a princípoch fungovania operačných systémov
  • Princípoch fungovania a bezpečného používania počítačových sietí a ich služieb
• Cvičenia (DAV + BIN):
  • Získať základné zručnosti v používaní Linuxu, potrebné aj pre ďalšie predmety.

Čo sa napríklad dozviete

• Z čoho sa skladá počítač a čo v ňom robí?
• Prečo počítač niekedy pracuje pomalšie?
• Prečo má 200 GB disk iba 190 GB?
• Čo sa deje pri zapnutí počítača?
• Ako operačný systém rozhoduje, ktorá úloha má prednosť?
• Aký je rozdiel medzi http:// a https://?
• Môže niekto čítať vaše emaily?
• Čo robiť, keď vám nefunguje sieť?

Obsah – počítače a OS

• Zloženie počítača
• Vykonávanie inštrukcií
• Typy pamätí a ich využitie
• Vstupno-výstupné zariadenia
• Úloha operačného systému:
  • Správa procesov
  • Správa pamäte
  • Súborové systémy
  • Bootovanie
  • Virtualizácia

Obsah – počítačové siete

• Čo je to počítačová sieť?
• Hardwarové aspekty
• Softwarové aspekty
• Ako fungujú siete (ISO OSI, TCP/IP)?
• Ako funguje internet?
• Základné služby internetu:
  • Elektronická pošta
  • WWW
  • DNS
• Bezpečnosť

Prečo hovoriť o hardvéri?

• Softvér vs. hardvér
• Používateľ chce, aby mu fungovali aplikačné programy
• Aplikačné programy využívajú operačný systém na prístup k hardvéru
• Ak chceme rozumieť úlohám operačného systému, potrebujeme vedieť niečo o hardvéri (HW).

Zjednodušený model počítača

• Zobrazuje základné komponenty: procesor (CPU), operačná pamäť, disk, zbernica, vstupno-výstupné moduly (klávesnica, myš, monitor, USB, VGA, SATA).

Základná doska

• Zbernice na prepojenie jednotlivých komponentov (PCI, PCI Express, zbernica medzi CPU a pamäťou)
• Často integrované základné vstupno-výstupné moduly (radič diskov - IDE, SATA, radíča USB, PS/2, grafická karta).

Procesor

• Môže ich byť aj viac jadier (samostatné procesory)
• Riadi činnosť počítača a vykonáva väčšinu operácií s údajmi
• Základné časti:
  • Riadiaca jednotka
  • Aritmeticko-logická jednotka
  • Registre

Inštrukcia

• Elementárny príkaz vykonávateľný procesorom
• Preklad údajov: načítanie údajov z operačnej pamäte do registra, zápis údajov z registra do operačnej pamäte, výpočty (sčítanie, odčítanie, porovnávanie, násobenie, delenie).
• Skoky: prechod na inú časť programu.

Procesor - program

• Zdrojový text vo vyššom programovacom jazyku (C/C++, Java, ...).
• Vyššia úroveň abstrakcie; nezávislá od procesora.
• Preklad do strojového kódu (inštrukcií konkrétneho procesora (alebo virtuálneho procesora: Java Virtual Machine).

Operačná pamäť

• Dočasná pamäť s náhodným prístupom (RAM)
• Procesory môžu pristupovať k ľubovoľnému miestu v pamäti
• Uloženie vykonávaného programu a spracovávaných údajov
• Rozmery od niekoľkých GB do desiatok GB v serveroch.

Operačná pamäť - ďalšie typy pamätí

• "Nezabúdajúce" pamäte (EEPROM, Flash) - obsahujú napr. BIOS, načítava a spúšťa operačný systém, mení obsah pri škodlivých útokoch
• Cache pamäť - obsahujú kópiu používaných údajov z pamäte, aby bolo rýchlejšie, než pamäť RAM.

Operačná pamäť - čítanie a zápis údajov

• Čítanie: procesor pošle adresu miesta, ktoré chce čítať, pamäť pošle príslušnú hodnotu
• Zapis: procesor pošle adresu a hodnotu, pamäť hodnotu uloží na príslušné miesto.

Charakteristika pamätí

• RAM (Random Access Memory), SAM (Sequential Access Memory), DAM (Direct Access Memory), ROM (Read Only Memory), RWM (Read-Write Memory).
• Bežné kombinácie: RAM+RWM (operačná pamäť, cache), RAM+ROM (BIOS), SAM+RWM (magnetická páska), DAM+RWM (pevný disk), DAM+ROM (CD)

Operačná pamäť v bežných počítačoch

• Rôzne typy SDRAM, DDR, DDR2, DDR3.
• Navzájom nekompatibilné.

Vstupno-výstupné moduly

• Rozširujúce karty pripojené na zbernici (prípadne integrované priamo na základnej doske):
  • Grafická karta: zobrazovanie na monitore (VGA, DVI, HDMI, DP)
  • Sieťová karta: pre pripojenie k PC sieti
  • Radik diskov: SCSI/SAS

Pevné disky

• Trvalé ukladanie údajov a programov.
• Veľkosti od desiatok GB po niekoľko TB.
• Obsahujú mechanicky citlivé prvky (čítačky/zapisovače a platne).
• Časom sa opotrebujú a pokazia, čo môže viesť k strate údajov.
• Rozhrania: IDE, SATA, SCSI, SAS, FC, USB, eSATA.
• SSD: nahrádza pevné disky, bez pohyblivých častí, rýchle, ale s obmedzenou kapacitou a počtom zápisov.

Nie je GB ako GB

• Rozdiel medzi 1024-based a 1000-based metódami pre dátové jednotky

Procesory - registre procesora

• Špeciálny register: obsahuje adresu aktuálnej inštrukcie, ktorá sa má vykonať (PC - Program Counter, IP - Instruction Pointer)
• Stavový register (PSW): obsahuje rôzne stavové informácie
• Všeobecné registre: údaje, adresy.

Zjednodušený inštrukčný cyklus

• Fetch cyklus: načíta inštrukciu, zvýši PC
• Execute cyklus: vykoná inštrukciu
• Problém: spracovanie vstupno-výstupných operácií (procesor musí dlho čakať, ak je nevyužitý).

Realizácia vstupno-výstupnej operácie

• Prerušenie
• Procesory odosielajú požiadavku V/V zariadeniu.
• V/V zariadenie spracováva a vyvolá prerušenie keď je hotové.
• Procesory obslúžia prerušenie a získajú výsledok operácie.
• Procesory pokračujú v pôvodnej činnosti.
• Prerušenia.
• Po vykonaní inštrukcie procesor kontroluje či nevznikla žiadost o prerušenie.
• Ak áno, uloží aktuálny stav a začne vykonávať funkciu na obsluhu prerušenia, po dokončení obnoví stav a pokračuje v pôvodnej činnosti

Prístup do pamäte (DMA)

• Procesory len inicializujú informácie o prenose - odkiaľ, kam, koľko a robia iné.
• DMA radič zabezpečuje prenos po zbernici priamo medzi V/V zariadením a pamäťou bez účasti procesora.
• DMA radič generuje prerušenie po ukončení prenosu.

Porovnanie programovaného vstupu/výstupu, s prerušením a k DMA.

Operačné systémy

• Poskytuje (čiastočnú) abstrakciu hardvéru pre aplikačné programy a používateľov.
• Rieši komunikáciu s rôznymi HW zariadeniami.
• Správa prostriedky (pamäť, disky, procesor, ...).
• Striedania programov, prideľovanie priestoru.
• Zabezpečuje riadenie prístupu a ochranu údajov.
• Prístupové práva pre používateľov, správcov.

Služby OS

• Vykonávanie programov
• Prístup k V/V zariadeniam
• Prístup k súborom (súborový systém)
• Bezpečnosť (identifikácia, autentifikácia, autorizácia)
• Detekovanie a reakčné mechanizmy na chyby
• Accounting (štatistky využitia zdrojov)

Príklad štruktúry OS

• Členenie: jadro systému (kernel), základné funkcie, ovládače zariadení (komunikácia s periférnymi zariadeniami)
• Ďalšie služby: napr. grafické používateľské rozhranie
• Modularita

OS ako správca prostriedkov

• Pamäť (fyzická, virtuálna pamäť)
• Processor (striedanie procesov)
• V/V zariadenia
• OS ako program

História OS

• Systémy so sériovym spracovaním (len 1 program)
• Dávkové (batch) systémy (pripravené programy postupne za sebou)
• Multiprogramové batch systémy
• Systémy so zdieľaním času (striedanie vykonávaných programov)

Multiprogramovanie

• Ukazuje rozdiel v časových rámcoch vykonávania viacerých programov naraz oproti sekvenčnému spracovaniu jedného programu za druhým.

Systémy so zdieľaním času

• Zobrazuje počítač s pripojenými terminálmi, kde jeden počítač obsluhuje viac používateľov naraz.

Niektoré pojmy

• Multitasking (schopnosť vykonávať viac úloh naraz - kooperatívny vs. preemptívny)
• Multithreading (jedna úloha môže mať viac vlákien)
• Multiprocessing (SMP – viac procesorov)

Príklady moderných OS

• Domáce/kancelárske počítače: Windows XP, 7, Linux, Mac OS X
• Servery: Windows Server, Linux, Solaris, HP-UX, AIX...
• Tablety/mobily: Android, Windows Phone, iOS, Symbian, WebOS.

Operačné systémy - Procesy

• Ad-hoc riešenia striedania úloh (problémy - zlá synchronizácia, neželané ovplyvňovanie, uviaznutie).
• Proces je vykonávaný program a spojené dáta a kontext (registre, informácie o pridelených zdrojoch).

Stavy procesu a prechody medzi nimi

• Grafické zobrazenie stavov procesov (vytvorený, pripravený, bežiaci, spiaci, čakajúci na udalosť, ukončený) a prechodov medzi nimi.

Zaraďovanie procesov

• Grafické schéma znázorňuje postupnost' a správu procesov v operačnom systéme.

Prechody medzi stavmi so swapovaním

• Zobrazenie komplikovanejších prechodov medzi stavmi pre procesy, priamo zahŕňajúc swapovanie procesov medzi pamäťou a diskom.

Hierarchia procesov v UNIXe

• Grafické zobrazenie hierarchie procesov v UNIX systéme, znázornujúci parent procesov a ich deti.

Praktický pohľad

• Windows: Task Manager (zobrazenie aplikácií a procesov, možnosť ukončiť proces)
• UNIX/Linux: top, ps, kill (zobrazenie a riadenie procesov)

Plánovanie procesov

• Plánovač úloh: rozhoduje o zaradení úlohy na spracovanie.
• Plánovač procesov: rozhoduje o prideľovaní procesoru jednotlivým procesom.

Plánovače - nepreemptívne vs. preemptívne

• Nepreemptívne: procesory nemôžu odobrať procesoru proces / úlohu, kým sa ho sám nevzdá alebo nezostane čakať na operáciu vstupu / výstupu.
• Preemptívne: môžu procesom odobrať procesor.

Plánovače - algoritmy - FCFS, SJF

• Detailný grafický a tabuľkový opis plánovačských algoritmov.

Plánovače – algoritmus Highest Response Ratio Next (HRN)

• Detailný tabuľkový popis plánovačského algoritmu, ktorý priraďuje prioritu na základe čakania a dĺžky spracovania.

Plánovače - algoritmus Shortest Remaining Time (SRT)

• Detailný tabuľkový popis plánovačského algoritmu, ktorý priraďuje prioritu na základe zostávajúcej dĺžky spracovania.

Plánovače - Round Robin (RR)

• Cyklický zoznam pripravených procesov, každý proces dostane maximálny určený čas a ak sa dovtedy nevzdá procesoru, je prerušený a zaradený na koniec zoznamu.

Stratégia s viacerými zoznamami

• Rozdelenie procesov podľa priority s viacerými zoznamami a systémom preraďovania procesov.

Synchronizácia procesov

• Problémy v súbehu (race condition)
• Vzďomné vylúčenie (mutual exclusion)

Deadlock – uviaznutie

• Podmienky pre vznik deadlocku (vzájomné vylúčenie, postupné získavanie, nemožnosť prerozdelenia a cyklické čakanie).

Prístupy k riešeniu uviaznutia

• "Pštrosový algoritmus" - ignorácia problému
• Detekcia a vyvedenie - kontrolovanie grafov čakania
• Prevencia - predchádzanie podmienkam vzniku deadlocku
• Vyhýbanie sa - predvízanie a zabránenie vzniku deadlocku

Detekcia a vyvedenie

• Kontrola cyklov v grafe čakania na zistenie vzniku deadlocku.
• Riešením je odstránenie niektorého z procesov.

Prevencia

• Znemožnenie splniteľnosti podmienok vzniku uviaznutia (vzájomné vylúčenie, postupné získavanie, nemožnosť prerozdelenia cyklické čakanie).

Vyhýbanie sa

• Predchádzanie vzniku podmienok uviaznutia vopred, napr. bankárov algoritmus - max. množstvo, požadované prostriedky, podmienky, konečný čas

Bankárov algoritmus

• Algoritmus na predpovedanie vzniku uviaznutia procesov.

Správa pamäte

• Úlohy správy pamäte: evidencia voľnej pamäte, prideľovanie a uvoľňovanie pamäte procesom, ochrana prístupu do pamäte.

Logické vs. fyzické adresy

• Logické adresy z pohľadu procesu; fyzické adresy z pohľadu pamäte.
• Abstrakcia od fyzického umiestnenia procesu v pamäti.

Virtuálna pamäť

• Najčastejšie pomocou stránkovania.
• Niektoré stránky nemusia byť v RAM, ale sú na disku.
• Požiadavky na prístup k takej stránke vedú k výpadku.
• OS nájde voľný rámec, načíta obsah z disku, aktualizuje tabuľku a nechá procesor zopakovať inštrukciu.
• Swapovanie procesov vs. stránkovanie.

Súborové systémy a Bootovanie

• Súborový systém: umožňuje ukladanie informácií, nezávislý od hardvéru.
• Zobrazenie dátových štruktúr súboru; operácie so súborovým systémom; ukladanie súborov.
• Atribúty súborov: dátum/čas, veľkosť', vlastník, prístupové práva

Názvy súborov

• Zloženie názvov súborov, prípony (Unix/Linux), obmedzenia a požiadavky.

Textový súbor

• Kódovanie znakov (ASCII, ISO 8859-x, Unicode UTF-32, UTF-16, UTF-8)
• Súborové riadky a oddeľovače.

Binárny súbor

• Človeku nezrozumiteľná dátová štruktúra; často reprezentácia údajov v pamäti.
• Špecifická pre jednu aplikáciu.

Adresáre

• Organizácia súborov v súborovom systéme (jednoúrovňové, dvojúrovňové, stromové).
• Príklady štruktúr (UNIX/Linux, Windows).
• Cesty k súborom (absolútne, relatívne).
• Linky a zástupcovia (hard link, symbolický link).

Príklady súborových systémov

• Rozne typy súborových systémov (FAT, NTFS, ext2/3/4, ISO 9660, UDF).

Vnútornosti súborových systémov

• Základné mechanizmy prideľovania úložného priestoru v súbore.
• Fragmentácia a defragmentácia súborov; konzistencia dát.

Atribúty súborov

• Dátum a čas vytvorenia, modifikácie a prístupu.
• Prístupové práva (vlastník, skupina, ostatní).
• Atribúty pre Windows.
• Atribúty pre UNIX/Linux.

Prístupy k súborom a delenie diskov v počítači

• Delenie diskov na partície, aktívna partícia.
• Súborové systémy a bootovanie

Bootovanie

• Postup štartu operačného systému.
• BIOS
• Loader

Lepšie "boot loader "-y

• Funkcie a prínos lepších "boot loader" -ov.