Systemy Operacyjne - Podstawy i Problemy

W kontekście systemów wbudowanych, multitasking oznacza zdolność do jednoczesnego (lub pozornie jednoczesnego) wykonywania wielu zadań przez procesor.

System operacyjny (lub RTOS) wymusza przełączanie zadań w ustalonych momentach, na przykład na podstawie przerwań sprzętowych, timerów lub priorytetów.

Zadania same decydują, kiedy zwolnić procesor, np. w systemach bez RTOS.

Mikrokontrolery nie mają wielu rdzeni, więc prawdziwy równoległy multitasking nie istnieje (chyba że procesor ma więcej rdzeni). Timer, przerwania i pętla główna symulują multitasking poprzez szybkie przełączanie między zadaniami.

RTOS (Real-Time Operating System) zapewnia preemptive multitasking, gdzie zadania są wykonywane zgodnie z harmonogramem priorytetowym.

W przypadku mikrokontrolerów i przerwań mamy do czynienia ze współbieżnością. Timer i inne funkcje przerwań działają sekwencyjnie, a nie równocześnie - procesor obsługuje tylko jedno przerwanie na raz.

Szybkie przełączanie między przerwaniami może symulować równoległość.

Procesor dzieli czas między różne zadania. System może reagować na różne zdarzenia (np. przerwania) równolegle. Zadania mogą mieć różne priorytety, co umożliwia obsługę krytycznych operacji w pierwszej kolejności.

Planista zadań, który dynamicznie ustala priorytety zadań w oparciu o aktualne potrzeby systemu. Najważniejsze zadania, np. te związane z awarią, otrzymują najwyższy priorytet.

Stosowany w systemach czasu rzeczywistego, gdzie priorytety zadań mogą się dynamicznie zmieniać, np. w przypadku wystąpienia awarii. DPS zapewnia elastyczność w zarządzaniu zadaniami.

Planista zadań, który dzieli zasoby systemowe w sposób proporcjonalny do potrzeb poszczególnych zadań. Nie opiera się na sztywnych priorytetach, a raczej na sprawiedliwym podziale zasobów.

Ten rodzaj planowania jest często stosowany w systemach wielozadaniowych, gdzie wiele aplikacji współdzieli zasoby. Celem jest zapewnienie sprawniejszego korzystania z zasobów przez wszystkie zadania.

Ten rodzaj planowania może być mniej deterministyczny w systemach czasu rzeczywistego, ponieważ trudno jest precyzyjnie przewidzieć, ile czasu potrzeba na wykonanie wszystkich zadań. Może to prowadzić do opóźnień.

Dyspozytor, zwany również dyspatczerem, to element systemu operacyjnego odpowiedzialny za zarządzanie czasem procesora i przełączanie go między poszczególnymi zadaniami. W praktyce oznacza to, że dyspozytor decyduje, które zadanie ma otrzymać czas procesora w danej chwili, a także zarządza przerywaniem wykonywania zadania i jego późniejszym wznowieniem.

Wielowątkowość to zdolność systemu operacyjnego do jednoczesnego wykonywania wielu wątków w obrębie jednego procesu. Wątki są lekkimi jednostkami wykonawczymi dzielącymi przestrzeń adresową z innymi wątkami w tym samym procesie. Dzięki wielowątkowości możliwe jest wykonywanie wielu zadań równolegle, co znacznie zwiększa wydajność.

Wielobieżność (ang. preemption) to mechanizm, dzięki któremu system operacyjny może wstrzymać wykonywanie procesu w dowolnym momencie, aby uruchomić inne zadanie. Wstrzymany proces może być później wznowiony, a jego stan jest zapamiętywany, dzięki czemu kontynuacja pracy jest możliwa. Wielobieżność zapewnia sprawiedliwy dostęp do zasobów procesora dla wszystkich uruchomionych programów.

Skalowalność to zdolność systemu do zwiększania swoich możliwości w miarę wzrostu zapotrzebowania na zasoby. W przypadku systemów operacyjnych oznacza to, że system powinien działać wydajnie zarówno na niewielkich komputerach, jak i na potężnych serwerach, wspierając dużą liczbę użytkowników i równoległe wykonywanie wielu zadań.

Jądro monolityczne to model jądra systemu operacyjnego, w którym wszystkie funkcje systemu operacyjnego, takie jak zarządzanie pamięcią, procesami i systemami plików, są zintegrowane w jednym, dużym i monolitycznym bloku kodu. Jądro monolityczne jest zwykle bardzo wydajne, ale trudne w modyfikacji.

Jądro hybrydowe to model jądra systemu operacyjnego, który łączy cechy jądra monolitycznego i mikrojądra. Podstawowe funkcje działają w trybie jądra dla wysokiej wydajności, a dodatkowe usługi (np.systemy użytkownika) są realizowane jako osobne moduły, często działające w trybie użytkownika. Ten model zapewnia zarówno wydajność, jak i modularność.

Mikrojądro to minimalna część jądra systemu operacyjnego, odpowiedzialna za podstawowe funkcje, takie jak przełączanie kontekstu, obsługa przerwań i komunikacja między procesami. Mikrojądro jest niewielkie, łatwe w modyfikacji i może być używane w różnych systemach operacyjnych.

I-węzeł to struktura danych w systemie plików, która przechowuje metadane pliku lub katalogu, takie jak prawa dostępu, właściciel, rozmiar i czas ostatniej modyfikacji. Nie zawiera jednak nazwy pliku, która jest przechowywana w katalogu.

W systemie plików ext2 katalogi są przechowywane jako zwykłe pliki rekordów zmiennej długości. Każdy rekord katalogu zawiera nazwę pliku i numer jego I-węzła, co pozwala na szybkie odnalezienie pliku.

System plików ext3 oferuje różne opcje dziennika (journal) - logowania zmian w systemie, co pozwala na zwiększenie niezawodności i bezpieczeństwa. Ext3 oferuje dzienniki tylko dla metadanych, dla metadanych i danych oraz dla metadanych z wcześniejszym zapisem danych.

System plików ext4 wprowadził wiele usprawnień w porównaniu do ext3, w tym obsługę extents, opóźnione alokowanie i możliwość operowania na większych blokach, co znacznie zwiększa wydajność.

Plik /etc/fstab konfiguruje automatyczne montowanie systemów plików w systemie Linux, zawierając informacje o urządzeniu, punkcie montowania, systemie plików, opcjach montowania i priorytecie.

Plik /etc/mtab zawiera listę aktualnie zamontowanych systemów plików w systemie Linux. Jest on aktualizowany automatycznie przez system.

Jądro systemu operacyjnego XP składa się z dwóch części: jądra (executive) działającego w trybie jądra i podsystemów działających w trybie użytkownika. System jest zorientowany obiektowo, gdzie każdy obiekt (np. wątek, proces, semafor) posiada własne uprawnienia.

Każdy proces w XP ma przydzieloną wirtualną przestrzeń adresową. Oznacza to, że różne procesy mogą używać tych samych adresów pamięci, ale w rzeczywistości są one mapowane na różne fizyczne lokalizacje w pamięci.

NTFS zastąpił FAT i HPFS, oferując funkcje takie jak kontrola dostępu, księgowanie operacji dyskowych, reprezentowanie plików jako metadanych i obsługę linków i montowania.

NTFS implementuje listy kontroli dostępu (ACL), które określają uprawnienia do plików i katalogów. Każdy obiekt dziedziczy uprawnienia od swojego rodzica lub ma własne.

NTFS oferuje funkcje szyfrowania (EFS), które chronią dane przed niepowołanym dostępem. Użytkownik musi znać klucz, aby odszyfrować dane. Szyfrowanie AES i kryptografia symetryczna są używane.

NTFS oferuje mechanizmy księgowania operacji dyskowych, które zapewniają odporność na awarie i spójność danych. W przypadku awarii systemu, NTFS może odtworzyć ostatni spójny stan danych.

NTFS może kompresować pliki i katalogi, redukując zużycie przestrzeni dyskowej. Kompresja jest niewidoczna dla użytkownika i odbywa się automatycznie.

FAT jest prosty, kompatybilny i wymaga niewielkich zasobów. NTFS oferuje więcej funkcji, takich jak szyfrowanie, obsługę dużych plików, księgowanie i kontrolę dostępu.

Struktura i-node zawiera 10 bezpośrednich wskaźników do bloków danych, które przechowują dane pliku. To pozwala na szybki dostęp do małych plików (do 10 kB). Dodatkowo, i-node posiada trzy poziomy wskaźników pośrednich, które umożliwiają adresowanie większych plików. Pierwszy poziom zawiera wskaźniki do bloków danych, drugi poziom wskazuje na bloki zawierające wskaźniki do bloków danych, a trzeci poziom powtarza ten schemat. Dostęp do dużych plików jest bardziej skomplikowany ze względu na wielowarstwowy system wskaźników.

Twarde dowiązanie to obiekt w katalogu, który zawiera wskaźnik do tego samego i-węzła, co inny plik. Oznacza to, że oba pliki fizycznie odwołują się do tych samych danych. Twarde dowiązanie tworzymy komendą "ln" i pozwala na dostęp do tych samych danych pod inną nazwą.

Symboliczny link (miękki link) to plik tekstowy, który zawiera ścieżkę dostępu do pliku źródłowego. Różni się od twardego dowiązania, ponieważ przechowuje tylko nazwę pliku, a nie samą zawartość. Można rozpoznać go po parametrze "l" przy użyciu komendy "ls -l".

Katalog w systemie plików ext jest specjalnym typem pliku, który zawiera wpisy o nazwach i wskaźnikach do i-węzłów. Każda nazwa pliku w katalogu odpowiada unikalnemu i-węzłowi.

Adresy bloków danych przechowują lokalizację danych pliku na dysku. System plików wykorzystuje te adresy, aby odnaleźć i odczytać dane pliku.