Otázka č. 9 - Operační systém

• Rutina
  • funkčně vymezená část kódu, nejčastěji ve formě podprogramu

Funkční pohled

• OS je sw správce prostředků

Hardwarové prostředky (fyzické)

• Jsou tvořeny všemi HW komponentami včetně periferií

1. Centrální - procesor, operační paměť
2. Vnější paměti - disky, cd
3. IO - klávesnice, atd

Softwarové prostředky (logické)

• jsou vytvářeny rutinami OS, za využití jiných prostředků, to jak fyzických tak logických, mezi nejdůležitější patří

1. Centrální - proces, paměťový region
2. Nízko úrovňové - logický disk, display, znaková zařízení
3. Dílčí - soubor, gui,
4. Virtuální - virtuální paměťový nebo síťový disk, tiskárna
5. Synchronizační a komunikační - roura, socket, mutex
6. Bezpečností - účet, šifrovaný komunikační kanál
7. Síťové - TCP/IP socket, http/s server

Proces

• Je Instancí programu

• Každý program může být vykonán a to v dané instanci OS. Každé toto vykonání od okamžiku provedení první instrukce, po provedení instrukce poslední, označujeme termínem proces

• Každá rutina může být vykonávána pouze v rámci procesu

• V každém okamžiku OS musí existovat alespoň jeden proces

• Procesy vznikají jako reakce na požadavek jiného procesu (rodičovského)

Paměťový region

• Souvisle adresovatelná oblast paměti, přidělená procesu
• Přímí přístup k této paměti

OS jako správce

• Hlavní účel správy spočívá ve vytváření přesně definovaného a bezpečného prostředí pro procesy a to ve dvou těsně provázených směrech
• Vytvoření takzvaně virtuálních počítačů
  • Rutiny OS vytvářejí pro programy jednotné rozhraní, které má charakter virtuálního PC
• Nezávislost jednotlivých procesů
  • Pro každý proces běžící v rámci OS musí rutiny OS vytvářet iluzi, že je jediným procesem, který kdy běžel, běží a bude běžet v rámci dané instance OS (instance OS vzniká bůtováním systému a zaniká vypnutí PC)

Systémový pohled

• OS je tvořen množinou rutin, které je možno na základě vzájemného volání organizovat do několika vrstev, nejníže leží vrstva rutin, které přímo přistupují k fyzickým prostředkům, dále skupina rutin přímo volajících rutiny nejnižší vrstvy

• Každá vrstva nabízí vyšším vrstvám přesně definované rozhraní (virtuální PC)

• Jádro OS (kernel)

  • Do jádra patří ty rutiny, které bezprostředně přistupují k HW PC, respektive zajišťují virtualizaci nezbytnou k zajištění nezávislosti jednotlivých procesů

Architektura OS

• OS jsou dány různými požadavky a rozmanitými přístupy jejich autorů, tj. kolik OS tolik architektur

• Základní klasifikace je dle úrovně spolupráce jednotlivých rutin OS

  • Monolitické - S těsním propojeným rutin
  • Hierarchické - Úroveň spolupráce je omezena hierarchickým principem
  • Klient - Server - Plně distribuované

Monolitické OS

• Jsou možné pouze u nejjednodušších OS a vývoj vedl k jejich úplné eliminaci
• Jádro je tvořeno souborem paralelních rutin a je omezeno dvěma ostrými rozhraními
• Rozhraní jádra využívají systémové procesy i běžné aplikace
• Rozhraní jádra je často provázeno změny režimu privilegovanosti procesoru (ochrana), pokud proces vykonává kód aplikace, běží v takzvaném uživatelském nebo neprivilegovaném režimu, ale může přistupovat pouze k části OP a nesmí provést privilegované instrukce
• U režimu jádra či takzvané privilegovanosti režimu vykonává pouze rutiny jádra a má přístup k celé fyzické paměti.
• Proces mění úroveň privilegovanosti pouze při vzniku přerušení (např. stisk klávesy, stisk myši atd.) a při návratu z něho
• Př. Solaris, Dos

Hierarchické OS

• Dnes neexistuje OS, který by neobsahoval její rysy
• Zde jsou rutiny OS uspořádány do vrstev, které postupně obalují hardware a nabízejí vyšším vrstvám pevně definovaná rozhraní
• Systém vyžaduje, aby rutiny každé vrstvy přímo volaly, pouze vrstvy bezprostředně nižší (nelze zcela dodržet a setkáváme se i s přímým voláním hlouběji zanořených vrstev)
• Kromě vertikálního členění je zde typické i členění horizontální
• Nejčastěji se na úrovni jádra vyčleňují tyto subsystémy:
  • Správa procesů
  • Správa paměti
  • Souborový systém
  • Síťový a komunikační
  • Vstupně výstupní
• Hal - hardware abstration layer
• HAL - podobné jako API, uvnitř OS je utvářena mezivrstva , která usnadňuje programovaní ovladačů u jednotlivých zařízení
• API - rozhraní pro volání systémových služeb, vytvářejí vrstvu s jednoduchými funkcemi které využívají programátoři

Klient - Server

• Tato architektura přináší plně distribuovaný přístup (pozornost na několik objektů současně, bohužel snižuje výkonost systému)

• Relativně pomalé a tudíž omezeně konkurence schopné

• Dnešek je lepší

• Hlavní změnou oproti hierarchickému modelu je vyčlenění všech zbytečných rutin z jádra, do specializovaných systémových procesů - serverů

• V jádře zůstávají pouze zcela nezbytné rutiny pro virtualizaci paměti, přepínání a komunikaci procesů, resp. Pro přístup dalším HW prostředkům

• Výsledné redukované jádro (mikrojádro) nabízí ostatním procesům, pouze základní funkce, vše ostatní zajišťují servery, prostřednictvím mezi procesorové komunikace (IPC) rychlost a efektivnost komunikace je klíčem této architektury

• Počet serverů je formálně neomezený, mezi ty nejdůležitější patří souborový systém (SS), bezpečnostní a API

• API jsou nejdůležitější z hlediska programátora, volání služeb OS