Operační Systém a Jádro OS

Operační Systém (OS)

• OS je program, který propojuje hardware, aplikace a uživatele, s možností virtualizace.
• Dřívějším cílem OS bylo maximální využití zdrojů počítače, dnes je to jednoduchost použití.
• Mezi role OS patří správa prostředků (sdílení paměti, diskového prostoru více programy/uživateli) a vytvoření uživatelského prostředí (virtuálního počítače).
• OS zahrnuje jádro, systémové knihovny, utility a uživatelské rozhraní (textové nebo grafické).

Jádro OS

• Jádro je nejnižší a nejzákladnější část OS, jež se zavádí jako první a běží po celou dobu chodu systému.
• Jádro přímo navazuje na hardware a běží v privilegovaném režimu.
• Zajišťuje základní správu systémových prostředků a vytváří prostředí pro aplikace.
• Existují dva typy rozhraní jádra: Kernel interface a Library interface.

Typy jader OS

• Monolitická jádra jsou vysoce efektivní a poskytují rozhraní pro služby (správa paměti, plánování procesů, souborové systémy, síťová komunikace).
  • Příklady monolitických jader: FreeBSD, Linux.
• Mikrojádra minimalizují rozsah jádra a nabízejí jednoduché rozhraní s malým počtem služeb (správa, komunikace procesů a paměti).
  • Příklady mikrojader: Mach, QNX, L4.
  • Výhody mikrojader: flexibilita a zabezpečení.
  • Nevýhody mikrojader: vyšší režie.
• Hybridní jádra rozšiřují mikrojádra o další kód pro snížení režie.
  • Příklady hybridních jader: Mac OS X, Windows NT (a vyšší).
• Exojádra jsou experimentální a poskytují velmi nízké rozhraní, zaměřené na bezpečné sdílení prostředků.
  • Příklady exojader: Aegis, Nemesis.

Klasifikace OS

• Klasifikace OS podle účelu:
  • Univerzální (UNIX, Windows, Linux)
  • Specializované (real-time systémy jako QNX, RXS, RT-Linux, databázové/webové systémy, OS pro mobilní zařízení Android, iOS, Windows Phone).
• Klasifikace OS podle počtu uživatelů:
  • Jednouživatelské (CP/M, MS-DOS)
  • Víceuživatelské (UNIX, Windows).
• Klasifikace OS podle počtu současně běžících úloh:
  • Jednoúlohové
  • Víceúlohové

Základní koncepty v UNIXu

• Procesy jsou abstrakce běžícího výpočtu, komunikující pomocí IPC (roury, signály, semafory, sdílená paměť, sockety, zprávy).
• Soubory jsou abstrakce zdroje dat, komunikující s procesy prostřednictvím I/O operací.
• Komunikace s jádrem probíhá pomocí systémových volání, což jsou služby jádra implementované jádrem.
  • Příklady systémových volání: open, close, read, write, kill, fork, exec, exit.

HW přerušení

• Mechanismus, kterým HW asynchronně informuje jádro o událostech, které vyžadují obsluhu.
• Žádosti o přerušení přicházejí do řadiče přerušení a mají priority.
• Procesor, po přijetí přerušení, vyvolá obslužnou rutinu v privilegovaném režimu.
• Řadič přerušení může maskovat některá přerušení pro nastavení priority.

Přerušení v procesoru

• Trap: Po obsluze přerušení se pokračuje další instrukcí.
• Fault: Po obsluze se opakuje instrukce, která výjimku vyvolala (např. výpadek stránky, dělení nulou).
• Abort: Nelze určit, jak pokračovat, provádění programu se ukončí (např. chyba detekovaná procesorem).

Skriptování

• Interpret je program, který provádí činnost programu, který je jeho vstupem.
• Skript je textový soubor obsahující program pro interpret.
• Nevýhody skriptování: pomalejší spouštění (nutný interpret).
• Výhody skriptování: okamžitá spustitelnost, čitelnost kódu (není nutný překlad).
• "Magic number" je číslo na začátku souboru, které charakterizuje jeho obsah.
  • Jádro díky magic number zjistí, jak soubor spustit.
  • Výhoda: Možnost psát programy v libovolném skriptovacím jazyku.

Pevný disk

• Diskový sektor je nejmenší jednotka, kterou disk umožňuje načíst nebo zapsat.
• Hierarchie pamětí (od nejrychlejší po nejpomalejší):
  • Primární paměť (RAM, registry, cache L1-L3).
  • Sekundární paměť (pevné disky, SSD).
  • Terciární paměť (pásky, CD, DVD).
• Parametry pevných disků: přístupová doba, kapacita, otáčky, přenosová rychlost.

SSD (Solid State Drive)

• Výhody SSD: rychlý náběh, náhodný přístup, vyšší přenosová rychlost, tichý provoz, nízká spotřeba.
• Nevýhody SSD: vyšší cena, omezený počet přepisů, možné komplikace se zabezpečením.

Zabezpečení disků

• ECC (Error Correction Code) ukládá redundantní data pro opravu nebo detekci chyb v sektorech.
• S.M.A.R.T. automaticky shromažďuje statistiky pro diagnostiku a předpovídání chyb.
• Rozpoznávání a označování vadných bloků.

Disková pole (RAID)

• RAID 0: Následné bloky dat jsou rozmístěny na různých discích, což zvyšuje výkon, ale neposkytuje redundanci.
• RAID 1: "Disk mirroring", všechna data jsou ukládána na dva disky pro redundanci.
• RAID 2: Data jsou rozdělena mezi disky po bitech (pro čtyři datové disky umožňuje automatickou opravu jedné chyby nebo detekci dvou chyb).
• RAID 3: Data jsou uložena po bajtech (nebo i bitech) na různých discích, s využitím disku pro parity.
• RAID 4: Bloky dat jsou uloženy na různých discích a paritní bloky na zvláštním disku.
• RAID 5: Podobný RAID 4, ale paritní a datové bloky jsou rozloženy na všech discích, čímž se snižují kolize.
• RAID 6: Podobný RAID 5, ale parita je uložena dvakrát, což umožňuje vyrovnat se i se ztrátou dvou disků.

Uložení souboru na disku

• Alokační blok je skupina sektorů (typicky 2^n) následujících logicky i fyzicky za sebou, nejmenší jednotka diskového prostoru.

Fragmentace

• Externí fragmentace vzniká při přidělování a uvolňování prostoru, což vede k nesouvislým volným a použitým oblastem.
  • Důsledky: Nevyužité oblasti, nespojité uložení dat a pomalejší přístup.
  • Moderní systémy minimalizují fragmentaci rozložením souborů, předalokací a odloženou alokací.
  • Nástroje pro defragmentaci.
• Interní fragmentace: Nevyužité místo v posledním alokačním bloku. Některé systémy umožňují sdílení posledních bloků.

Přístup na disk

• Prostřednictvím I/O portů nebo paměťově mapovaných I/O operací.
• Přenos dat je řízen řadičem disku s využitím DMA. Řadič informuje procesor o ukončení operací pomocí přerušení.

Plánování přístupu na disk

• Ovlivňuje efektivitu diskových operací.
• Požadavky na čtení/zápis jsou ukládány do vyrovnávací paměti a měněny pro minimalizaci režie.

Typy souborových systémů

• Např. fs, ufs, ufs2, ext2, ext3, ext4, FAT, FAT32, NTFS.
• Virtuální souborový systém (VFS) zastřešuje všechny souborové systémy a umožňuje s nimi pracovat jednotně.
• Síťové a speciální souborové systémy.

Žurnálování

• Záznam metadat (případně i dat) před jejich zápisem na disk.
• Obvykle implementován jako cyklicky přepisovaný buffer.
• Souborové systémy se žurnálem: ext3, ext4, ufs, NTFS.
• Umožňuje spolehlivější a rychlejší návrat do konzistentního stavu po chybách, avšak s velkou režií.
• REDO zapíše sekvence dílčích operací nejprve do žurnálu. V případě selhání se dokončí všechny transakce v žurnálu.
• UNDO prokládá záznam dílčích operací do žurnálu a na disk. Při chybě se nedokončené transakce eliminují.
• UNDO a REDO lze kombinovat.
• Implementace žurnálování musí zajišťovat správné pořadí zápisu.

Alternativy k žurnálování

• Copy-on-write (např. ZFS, btrfs) zapisuje nová data či metadata na disk, a poté je zpřístupní.

I-uzel

• Základní datová struktura popisující soubor v UNIXu.
• Obsahuje metadata: stav, typ, délku, přístupová práva, počet pevných odkazů, atd.
• V-uzel je rozšířený i-uzel.

Deduplikace

• Snaha odhalit opakovaná data, uložit je jednou a odkazovat vícenásobně.
• Podporována na různých úrovních (sekvence bytů, bloky, soubory).
• Může uspořit diskový prostor, ale při menším objemu duplikace může naopak zvýšit spotřebu procesorového času.
• Podporuje např. NTFS.

Přístupová práva

• V UNIXu jsou rozlišena práva pro vlastníka, skupinu a ostatní.

Uživatelé

• Uživatel je definován administrátorem systému a identifikován pomocí UID.

Skupiny

• Skupina je definována administrátorem systému a identifikována pomocí GID.
• Uživatel může být členem více skupin, přičemž jedna z nich je aktuální (používá se při vytváření souborů).

Sticky bit

• Příznak, který nedovoluje rušit cizí soubory v adresáři, i když mají všichni právo zápisu.

SUID, SGID

• Vlastník programu může propůjčit svoje práva ostatním uživatelům, kteří spustí program s nastaveným SUID.

Buffering (Čtení a Zápis)

• Buffer je vyrovnávací paměť.
• Cílem je minimalizace pomalých operací s periferiemi.
• Čtení: přidělení vyrovnávací paměti, načtení bloku, kopie dat do adresového prostoru procesu (RAM → RAM).
• Zápis: přidělení vyrovnávací paměti, zápis dat do vyrovnávací paměti (RAM → RAM), nastavení příznaku modifikace, zpožděný zápis na disk.

Otevření souboru pro čtení

• Volání: fd = open("/dir/file", O_RDONLY);
• Vyhodnotí cestu a nalezne i-uzel.
• V systémové tabulce aktivních i-uzlů se vyhradí nová položka a načte se i-uzel, vzniká v-uzel.
• V systémové tabulce otevřených souborů se vyhradí nová položka a naplní se.
• V poli deskriptorů souborů v uživatelské oblasti procesu se vyhradí nová položka a naplní se odkazem na položku v tabulce otevřených souborů.
• Vrátí se index položky v poli deskriptorů (nebo -1 při chybě).

Zavření souboru

• Volání: x = close(fd);
• Kontrola platnosti deskriptoru souboru.
• Uvolní se položka v tabulce deskriptorů a sníží se počitadlo odkazů v tabulce otevřených souborů.
• Pokud je počitadlo odkazů nulové, uvolní se položka v tabulce otevřených souborů a sníží se počitadlo odkazů ve v-uzlu.
• Pokud je i počitadlo odkazů nulové, i-uzel se okopíruje do VP a uvolní se.
• Funkce vrací nulu nebo -1 při chybě.

Duplikace deskriptoru souboru

• Volání: fd2 = dup(fd); nebo fd2 = dup2(fd,newfd);
• Zkontroluje se platnost původního deskriptoru.
• Zkopíruje se položka v tabulce deskriptorů do první volné (dup) nebo do zadané položky (dup2). Pokud je deskriptor newfd otevřen, dup2 ho automaticky uzavře.
• Zvýší se počitadlo odkazů v tabulce otevřených souborů.
• Funkce vrací index nové položky, jinak -1.

Terminály

• Fyzická nebo logická zařízení umožňující textový vstup/výstup systému.
• Podporují vstup/výstup po řádcích, editaci na vstupním řádku a speciální znaky (Ctrl-C, Ctrl-D).

Roury (Pipes)

• Jeden z typů speciálních souborů.
• Rozlišujeme roury nepojmenované a pojmenované (vytvoření mknod či mkfifo).
• Reprezentují jeden z mechanismů meziprocesové komunikace.
• Implementace: Kruhový buffer s omezenou kapacitou.
• Procesy komunikující přes rouru jsou synchronizovány (producent a konzument).

Sockets

• Umožňují síťovou i lokální komunikaci.
• Lokální komunikace může probíhat přes pojmenované sockety.

VFS (Virtual File System)

• Vytváří jednotné rozhraní pro práci se souborovými systémy.
• Odděluje vyšší vrstvy OS od implementace operací na souborových systémech.
• Pro popis souborů používá rozšířené i-uzly (tzv. v-uzly).

NFS (Network File System)

• Zpřístupňuje soubory uložené na vzdálených systémech.
• Umožňuje kaskádování.

Spooling

• Vyrovnávací paměť (typicky soubor) pro zařízení (tiskárny), které neumožňují prokládané zpracování dat.
• Výstup se provede do souboru a zařadí do fronty, čímž uživatelský proces může pokračovat.