ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επισκόπηση Λ.Σ. · 2013. 1. 17. ·...

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Επισκόπηση Λ.Σ.

Υλικό από:Tanenbaum, Modern Operating Systems,Structured Computer Organization Stallings, Operating Systems: Internals and Design Principles.Silberschatz, Galvin and Gange, Operating Systems Concepts.Deitel, Deitel and Choffnes, Operating SystemsΛειτουργικά Συστήματα, Γ.Α. Παπαδόπουλος, Πανεπιστήμιο ΚύπρουΛειτουργικά Συστήματα, Κ. Διαμαντάρας, ΤΕΙΘSystems Programming in C, A.D. Marshal, University of Cardiff

Σύνθεση Κ.Γ. Μαργαρίτης, Τμήμα Εφαρμοσμένης Πληροφορικής, Πανεπιστήμιο Μακεδονίας

Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑΕπισκόπηση Λ.Σ.

Εισαγωγή στο μάθημαΙστορικά στοιχεία και ορισμοίΑνασκόπηση κατωτέρων επιπέδωνΒασικές λειτουργίεςΚλήσεις συστήματοςΤύποι και δομή λειτουργικών συστημάτωνΜελέτες περίπτωσης


Τι είναι Λειτουργικό Σύστημα (1)

Ένα σύγχρονο υπολογιστικό σύστημα αποτελείται από:

• Έναν ή περισσότερους επεξεργαστές• Κύρια Μνήμη• Δίσκους

• Εκτυπωτές• Διάφορες μονάδες εισόδου/εξόδου • Διάφορες αποθηκευτικές μονάδες

Η διαχείριση όλων αυτών των μερών απαιτεί ένα επίπεδο λογισμικού – το Λειτουργικό Σύστημα



Σύγχρονες Πολυεπίπεδες Μηχανές (1)

Αρχιτεκτονική

Συστήματα

Οργάνωση

Εφαρμογές

Πρόγραμμα γλώσσας υψηλού επιπέδου

Πρόγραμμα γλώσσαςassembly

Σενάριο ή κλήσησυστήματος (μικτή γλώσσα)

Πρόγραμμα σε γλώσσα μηχανής

Μικροπρόγραμμα ή γλώσσαπεριγραφής υλικού


Διεπαφές λειτουργικού συστήματος:Κατώτερα επίπεδα: Διακοπές, Ρουτίνες Εξυπηρέτησης Διακοπών, Είσοδος /

Έξοδος, Διαχείριση Μνήμης, Διαχείριση Επεξεργαστή (γλώσσα μηχανής)

Ανώτερα επίπεδα: Κλήσεις Συστήματος,Application Program Interface, User Intercafe (Assembly, C, Φλοιός, Σενάρια Φλοιού)


Dual Mode:

Το λ. σ. εκτελείται σε kernel (supervisor) mode ενώ το υπόλοιπο λογισμικό συστήματος και εφαρμογών εκτελείται σε user (protected) mode. Μόνο το λ.σ. έχει άμεση επικοινωνία με τα κατώτερα επίπεδα, το ανώτερο λογισμικό ουσιαστικά καλεί ειδικές ρουτίνες του λ.σ. για την εξυπηρέτησή του.


Το Λειτουργικό Σύστημα ως Εικονική Μηχανή

Το Λειτουργικό Σύστημα αποκρύπτει τη δύσχρηστη διεπαφή με το υλικό (Αρχιτεκτονική Συνόλου Εντολών) και την αντικαθιστά με εύχρηστες αφαιρέσεις (Κλήσεις Λειτουργικού Συστήματος και Διεργασίες, Αρχεία, Συσκευές Ε/Ε, Εικονική/Ιδεατή Μνήμη, κλπ).


Το Λειτουργικό Σύστημα ωςΔιαχειριστής Πόρων

• Επιτρέπει την συντρέχουσα (concurrent) ή ταυτόχρονη εκτέλεση πολλών προγραμμάτων

• Διαχειρίζεται και προστατεύει τη CPU τη μνήμη, τις συσκευές Ε/Ε και άλλους πόρους

• Επιτρέπει πολυπλεξία (διαμοιρασμό) πόρων με δύο τρόπους:• Χρονική πολυπλεξία (χρονομερισμός)• Χωρική πολυπλεξία (τοποθέτηση σε μνήμη, δίσκο)


cslab@ntua 2007-2008

Υλικό Μαθήματος (Βιβλία)* Tanenbaum, Modern Operating Systems.

* Stallings, Operating Systems: Internals and Design Principles.

* Silberschatz, Galvin and Gange, Operating Systems Concepts.

* Deitel, Deitel and Choffnes, Operating Systems

Και τα τέσερα βιβλία είναι διεθνώς πολύ γνωστά, κάνουν συχνές επανεκδόσεις. Τα τρία πρώτα υπάρχουν μεταφρασμένα στα Ελληνικά.

Επιπλέον υλικό -τρείς βασικές κατηγορίες:

* Χρήση Λειτουργικών Συστημάτων (Power Users, πχ UNIX books)

* Προγραμματισμός Συστημάτων (API, πχ Unix Programming).

* Υλοποίηση Λειτουργικών Συστημάτων (πχ ΜΙΝΙΧ, Linux κλπ).


Υλικό Μαθήματος (Διαδίκτυο)

Υ

* Compus, httlp://compus.uom.grΕβδομαδιαία παρακολούθηση, ανακοινώσεις, θέματα, σύνδεσμοι.

* PdP Lab, http://www.it.uom.gr/teachingΣυλλογές διαδικτυακού υλικού, για διάφορα θέματα – αρκετά για λειτουργικά

συστήματα, προγραμματισμό συστημάτων, Linux και Ελεύθερο-Ανοικτό Λογισμικό. Εδώ συνήθως οδηγούν οι σύνδεσμοι του Compus.

* WikipediaΤο λήμμα computer operating system αποτελεί καλή εκκίνηση, όπως και οι

σύνδεσμοι σε επιμέρους θέματα της Wikipedia.

* Google (πχ το site του Stallings)


Σχέδιο Μαθήματος

Σ

Εβδομάδα Περιγραφή Κεφάλαια

1-2 Επισκόπηση Λ.Σ 1

3-4 Διεργασίες και Νήματα 2

5-6 Αδιέξοδα 3

7-8 Διαχείριση Μνήμης 4

9-10 Είσοδος/Έξοδος 5

11-12 Συστήματα Αρχείων 6

13 Ασφάλεια 9

Μελέτες περίπτωσης στο τέλος κάθε ενότητας (κεφ 10,11).


ΑξιολόγησηΕξετάσεις χωρίς βιβλία και σημειώσεις. Θα χορηγείται μόνο

βοηθητικό υλικό (αν αυτό απαιτείται).

Οδηγός ύλης και ασκήσεων το βιβλίο 'Modern Operating Systems (Σύγχρονα Λειτουργικά Συστήματα)' του Tanenbaum, με έμφαση στο υλικό των σημειώσεων.

Έμφαση κυρίως στην εξειδικευμένη χρήση (power user) και στο προγραμματισμό συστημάτων (API).

Παραδείγματα (μελέτες περίπτωσης): κυρίως Linux (λιγ'ότερο Windows), εργαστήρια, εργασίες, επιλογές από υπόλοιπα κεφάλαια: Προγραμματισμός Συστημάτων ΙΙ

Ιστορία Λειτουργικών Συστημάτων (1)

Μερικά ορόσημα:

• (1945–1955) Λυχνίες Κενού• (1955–1965) Transistors και Συστήματα Δέσμης• (1965–1980) ICs και Πολυπρογραμματισμός

• (1980–1995) Προσωπικοί Υπολογιστές• (1995–2010) Δίκτυα, Διαδίκτυο• (2010–....) Δικτυωμένοι Υπολογιστές Ειδικού Σκοπού



Ιστορία Λειτουργικών Συστημάτων (2)


Προϊστορία: Λυχνίες Κενού

Εκτέλεση ενός προγράμματος, μονο-προγραμματισμός:

Ένα μοναδικό πρόγραμμα, η εργασία (Job), φόρτωνε τον μεταγλωττιστή και το πρόγραμμα εφαρμογής σε γλώσσα υψηλού επιπέδου στη μνήμη, αποθήκευε τον αντικείμενο κώδικα (object code) και στη συνέχεια το φόρτωνε και το συνέδεε με τις λοιπές συναρτήσεις. Εκτελούσε το παραγόμενο εκτελέσιμο πρόγραμμα το οποίο και είχε πρόσβαση στο σύστημα μόνον αυτό. Όταν το πρόγραμμα τερματιζόταν, τα αποτελέσματα αποθηκευόταν σε μορφή ταινίας ή διάτρητων καρτών και η εργασία ξεκινούσε από την αρχή με άλλο πρόγραμμα εφαρμογής. Η σύνταξη του προγράμματος εφαρμογής και η παραγωγή αποτελεσμάτων γινόταν σε ξεχωριστά συστήματα (διατρητικές, εκτυπωτικές μηχανές).

Transistors και Συστήματα Δέσμης (1)

(a) Οι προγραμματιστές φέρνουν τις κάρτες στο 1401.

(b) Το 1401 διαβάζει δέσμες εργασιών σε ταινία.

(c) Ο χειριστής μεταφέρει τη ταινία εισόδου στο 7094.

(d) Το 7094 εκτελεί τους υπολογισμούς.

(e) Ο χειριστής μεταφέρει την ταινία εξόδου στο 1401.

(f) Το 1401 εκτυπώνει τα αποτελέσματα. Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639


Δομή μιας τυπικής εργασίας δέσμης (batch).



Λόγος ανάπτυξης: πολύ ακριβές μηχανές, μείωση του νεκρού χρόνου

Κεντρική ιδέα: η χρήση ενός λογισμικού που λέγεται επόπτης (monitor)

Ο χρήστης υποβάλλει την εργασία του σε ένα χειριστή ο οποίος τοποθετεί όλες τις εργασίες μαζί σε μια συσκευή εισόδου για να χρησιμοποιηθούν από τον επόπτη.

Κάθε πρόγραμμα είναι φτιαγμένο έτσι ώστε όταν ολοκληρώνεται να επιστρέφει στον επόπτη για να φορτωθεί άλλο πρόγραμμα.




Επόπτης (Monitor) Λογισμικό που ελέγχει τις εργασίες που εκτελούνται Ομαδοποιεί τις εργασίες προς εκτέλεση Όταν μια εργασία τερματιστεί ο έλεγχος μεταφέρεται στον monitor Ο monitor παραμένει στην κεντρική μνήμη και είναι διαθέσιμος

Job Control Language (JCL)Γλώσσα σεναρίου (scripting language)

που παρέχει οδηγίες στον monitor όπως

ποιος compiler θα χρησιμοποιηθεί ποια δεδομένα θα χρησιμοποιηθούν χρήση ειδικών πόρων


Διεπαφές με κατώτερα επίπεδα :

Προστασία: οι εργασίες (τα προγράμματα των χρηστών) που εκτελούνται δεν πρέπει να τροποποιούν την περιοχή μνήμης όπου υπάρχει ο monitor.

Χρονισμός: πρέπει να αποφεύγεται η μονοπώληση του συστήματος από μια μοναδική εργασία (εκτέλεση ενός μόνο προγράμματος), εφαρμογής χρονοδιακοπής (timeout) και ομαδοποίησης εργασιών με βάση τα χαρακτηριστικά τους (ελαφρές και βαριές δουλειές, cpu και I/O -bound).

Προνομιούχες (priviledged) εντολές: εκτελούνται μόνον από το monitor, κυρίως για διαδικασίες Ι/Ο (ταινίες).

Διακοπές: μηχανισμός του λ.σ. για παραχώρηση και ανάκτηση του ελέγχου του συστήματος και την επικοινωνία με τα κατώτερα επίπεδα.


Ένα σύστημα πολυπρογραμματισμού με τρείς εργασίες στη μνήμη. Job > Task = Εργασία.

ICs και Πολυπρογραμματισμός (1)



Λόγος ανάπτυξης : ο επεξεργαστής παραμένει ανενεργός λόγω διαφοράς ταχύτητας με τις συσκευές Ι/Ο



Μονοπρογραμματισμός : όταν η εκτελούμενη εργασία διέκοπτε, αναμένοντας να ολοκληρωθεί μια διαδιασία Ι/Ο, η CPU έμενε ανενεργή (σε επιστημονικές εφαρμογές η σπατάλη χρόνου είναι ελάχιστη, διαδικασίες Ι/Ο συμβαίνουν σπάνια, ενώ σε εμπορικές εφαρμογές η σπατάλη είναι 80-90%)

Πολυπρογραμματισμός : διαμερισμός της μνήμης σε τμήματα ώστε κάθε εργασία να καταλαμβάνει άλλο τμήμα μνήμης. Όταν μια εργασία περίμενε μια Ι/Ο, κάποια άλλη χρησιμοποιούσε την CPU. Αν μπορούσαν να παραμείνουν στη μνήμη πολλές εργασίες ταυτόχρονα τότε το ποσοστό χρήσης της CPU έφθανε και το 100%.



Μεγέθη που χαρακτηρίζουν την απόδοση ενός λ.σ. :

* Μέση χρησιμοποίηση (utilisation) των πόρων: %

* Ρυθμαπόδοση (throughput): jobs/μονάδα χρόνου

* Χρόνος απόκρισης (responce time)

Τα πολυπρογραμματιζόμενα συστήματα δέσμης βασίζονται σε διεπαφές με κατώτερα επίπεδα :

* διακοπές, Ι/Ο, Direct Memory Access (DMA)

* στη διαχείριση μνήμης (προστασία μνήμης, μεταξύ των εργασιών και του λ.σ.)

* στους αλγόριθμους δρομολόγησης ή χρονοπρογραμμα-τισμού (scheduling) εργασιών ανάλογα με τα ειδικά χαρακτηριστικά τους (CPU, I/O – bound, κλπ).



ICs και Πολυπρογραμματισμός Παράδειγμα (1)


ICs και Πολυπρογραμματισμός Παράδειγμα (2.1)


ICs και Πολυπρογραμματισμός Παράδειγμα (2.2)


Χρονομερισμός (time-sharing)

Πολυπρογραμματισμός Χρηστών σε σχετικά Πραγματικό Χρόνο (Real Time)

Προέκυψαν από τις διαμαρτυρίες όσων περίμεναν ώρες ή ημέρες για να πάρουν αποτελέσματα από τα πολυπρογραμματιζόμενα μαζικά συστήματα.

Κάθε χρήστης συνδέεται μέσω τερματικού και η CPU εξυπηρετεί εκ περιτροπής κάθε πρόγραμμα χρήστη με ένα σύντομο καταιγισμό (burst) ή ένα κβάντο (quantum) υπολογισμού.

Ο ΗΥ προσφέρει μια διαλογική εξυπηρέτηση με την τεχνική του καταμερισμού χρόνου και εκμεταλλεύεται τον σχετικά βραδύ χρόνο της ανθρώπινης αντίδρασης


Πολυπρογραμματισμός και Χρονομερισμός

Mullti(Single)-user: πολυ(μονο)-χρηστικό σύστημα

Multi(Single)-tasking: πολυ(μονο)-εργασιακό σύστημα (μπορεί να είναι και single-user)

Multi(Single)-programming: πολυ(μονο)-προγραμματισμός, ταυτόσημο με multi-tasking, με έμφαση σε επεξεργασία δέσμης και τη βέλτιση χρήση (utilisation) πόρων (διεπεραίωση, throughput = jobs/sec).

Time-sharing: χρονο-μερισμός. Κατανομή του χρόνου λειτουργίας ενός συστήματος σε διαφορετικούς χρήστες, με έμφαση στη διαλογική επεξεργασία και την απόκριση (responce) σε πραγματικό χρόνο.

Real-time: πραγματικός χρόνος. Συστήματα με στόχο την εγγυημένη απόκριση σε συγκεκριμένο χρόνο.

Scheduling: χρονο-δρομολόγηση ή χρονο-προγραμματισμός. Εποπτεία του πολυπρογραμματισμού και του χρονο-μερισμού.

Spooling: διευθέτηση εργασιών σε ουρές για εκτέλεση, με τη σειρά (πχ αιτήσεις εκτυπώσεων ή προσπέλασης δίσκων).

Ορισμοί (1)


Διαχείριση Ε/Ε: οδηγοί (drivers) και ελεγκτές (controllers). Χρήση διακοπών και DMA.

Σύστημα αρχείων, λογική οργάνωση δεδομένων σε δίσκους και ταινίες. Mounting (προσάρτηση) και unmounting (απο-προσάρτηση) δίσκων και ταινιών, αρχικά χειροκίνητη στη συνέχεια δικτυακή.

Προστασία του συστήματος αλλά και των προγραμμάτων (χρηστών) από άλλα προγράμματα (χρήστες). Dual mode και προνομιούχες εντολές. Μόνο στο kernel mode υπάρχει πλήρης πρόσβαση στη CPU. Κάθε εργασία έχει ιδιωτικό χώρο διευθύνσεων (address space). Μόνο το λ.σ. διαχειρίζεται το σύνολο της μνήμης. Οι χρήστες έχουν περιορισμένα δικαιώματα πρόσβασης και χρήσης. Όλοι οι πόροι του συστήματος έχουν συγκεκριμένες άδειες πρόσβασης ανά χρήστη.

Εικονική (Ιδεατή) μνήμη. Επέκταση του χώρου διευθύνσεων με διαφανή χρήση της δευτερεύουσας μνήμης. Υλοποίηση με τεχνικές όπως paging (σελιδοποίηση), swapping (εναλλαγή).

Ορισμοί (2)


Kernel: πυρήνας. το βασικό τμήμα του λ.σ. που εκτελείται συνεχώς και έχει πλήρη πρόσβαση στα κατώτερα επίπεδα (supervisor mode = kernel mode).

Services: υπηρεσίες, εφαρμογές ή τμήματα του λ.σ., που εκτελούνται κατ' απαίτηση μετά από κλήση συστήματος και υπό τον έλεγχο του πυρήνα.

Daemons: υπηρεσίες, εφαρμογές ή τμήματα του λ.σ., που εκτελούνται συνεχώς στο background (πχ servers)

Shell: φλοιός ή κέλυφος, ο επεξεργαστής εντολών (command interpreter) που επιτρέπει στο χρήση ή και στα προγράμματα εφαρμογών να χρησιμοποιούν κλήσεις συστήματος.

User Interface: Διεπαφή Χρήστη, ο φλοιός ή γραφική διεπαφή.

System Call: Κλήση Συστήματος, κλήση μιας υπηρεσίας ή εφαρμογής του λ.σ. Που μπορεί να εκτελεστεί σε user mode ή σε supervisor mode (μέσω διακοπής λογισμικού).

Ορισμοί (3)


Multics (αρχές '70): το πρώτο λ.σ. που έθεσε τα περισσότερα χαρακτηριστικά των σύγχρονων λ.σ. Μπροστά από την εποχή του.

Unix και C (τέλη του '70): ελαφρύ και αποδοτικό υποσύνολο του Mulltics για mini-υπολογιστές PDP. To πρώτο σχετικά portable (φορητό) και open (ανοικτό) λ.σ.

Unix BSD - Berkeley Software Distribution, ανοικτό.

Unix System V – ATT, κλειστό.

Πολλά παρακλάδια και ανταγωνιστές, διαφορετικό λειτουργικό για κάθε οικογένεια υπολογιστών. Ο ανταγωνισμός οδήγησε σε πολλές ανομοιογένειες.

Τελική λύση: POSIX standard, ανοικτό πρότυπο. Προτυποποίηση υπηρεσιών λ..σ. Με τη μορφή system calls (κλήσεων συστήματος), δηλ. αιτήσεων για λήψη υπηρεσίας από το λ.σ. Καθορίζεται η ονομασία, οι παράμετροι εισόδου, οι τιμές επιστροφής (syntax) και οι όλες οι αλλαγές που επέρχονται στο σύστημα (semantics).

Unix


CP/M , DR-DOS , MS-DOS: λ.σ. Βασισμένα στο Unix αλλά πολύ μικρά ώστε να χωρούν σε μια εύκαμπτη δισκέτα (λιγότερο από 500 Κbytes, λίγες χιλιάδες γραμμές): single-user, signle-tasking, οχι προστασια, οχι εικονική μνήμη..περιορισμένα υποστήριξη κατωτέρων επιπέδων λόγω απλών επεξεργαστών.

Μέσα '80: H ΙΒΜ υιοθετεί το MS-DOS στα ανοικτής αρχιτεκτονικής PC's της. Επικράτηση του MS-DOS. Ταχύτατη ανάπτυξη επεξεργαστών και λ.σ. μαζί με τις εφαρμογές των PC's. 'Εμφαση στη φιλικότητα προς το χρήστη.

User friendly interface: διεπαφή φιλική προς το χρήστη. Αρχικά στις εφαρμογές, ακόμη και με απλά γραφικά. Έμφαση στο τελικό χρήστη.

Σταδιακά ή Γραφική Διεπαφή Χρήστη (GUI) υποκαθιστά το φλοιό για τον τελικό χρήστη.

MS-DOS


Xerox PARC (Χ-Windows): ποντίκι, εικονίδια, menu, point-and-click, drug-and-drop (X-window system).

Apple Macintosh: πρώτο παραθυρικό GUI (Graphical User Interface) σε PC.

MS-Windows: μετά από δικαστική διαμάχη...αρχικά οχι καλά αλλά φθηνά και ανοικτότερα της Apple...

Στο Linux ο διαχωρισμός GUI-shell είναι εμφανής, στα MS-Windοws ή στο MacOS όχι. Σταδιακά ο φλοιός αποκρύπτεται τελείως. Ακόμη και τα παραδοσιακά Windows τείνουν να αντικατασταθούν από web-based

GUI's (δες πχ GoogleGear).

Windows


Τέλη '90: Ισχυρά PC's, πολύ ισχυρότερα από τα minis του Unix!

Windows NT και μετά: Βασισμένο στο VMS. Oυσιαστικά διαφορετικό από το MS-DOS. Προς Multi-user, Multi-tasking..

+: Desktop, εγκατεστημένη βάση. -: κλειστό, δυσκίνητο (backward..)

Linux, FreeBSD, Minix, Solaris, MacOS: ανοικτά λ.σ. για PC's.

GUI's: Χ-Windows και Gnome, KDE, Xfce..

+: Server, δίκτυο, ανοικτό λογισμικό. -: τελικοί χρήστες, φιλικότητα.

Δίκτυα, Διαδίκτυο, Web: επικοινωνία (επικράτηση TCP/IP, HTTP), διαμοιρασμός, πρόσβαση, ασφάλεια. διαλειτουργικότητα.

Σταδιακή σύγκλιση: τα MS-Windows ωριμάζουν, το Linux γίνεται φιλικό.

Linux ή MS-Windows ή ..?


2000+ : Δικτυακά και Κατανεμημένα λ.σ.

Μοντέλα: Πελάτη-Διακομιστή (Client-Server)

Τρία/πολλά Επίπεδα (Three/Multi-Tier Arcitecture)

Αναγκαστική σύγκλιση λόγω διαλειτουργικότητας σε επίπεδο Διαδικτύου: Web-based GUI, Εφαρμογές και Υπηρεσίες Ιστού.

* Ενδιάμεσο Λογισμικό (Middleware), Ανοικτά Πρότυπα.

* Δικτυοκεντρικές υπηρεσίες, web services, software as service.

* Κινητοί και Αφανείς υπολογισμοί.

* Λ.σ. Ενσωματωμένων Συστημάτων.

* Διαχείριση συστημάτων πολλών επεξεργαστών (multicore).

Προοπτικές



Τυπικός Υπολογιστής

Λογική δομή ενός απλού προσωπικού υπολογιστή.

ΜΜU

Τυπική CPU

(a) Διοχέτευση τριών σταδίων (pipelining)

(b) Υπερβαθμωτή CPU (superscalar execution)

Πολλοί καταχωρητές, πολλές εντολές σε διοχέτευση.

Ακόμη:

* Πολυνηματικές CPUs (multithreading)

* Πολλαπλoί πυρήνες -πολλαπλές CPU (multicore CPUs)

Context: Κατάσταση της CPU και του συστήματος. Τιμές όλων των καταχωρητών, latches κλπ, των στοιχείων μνήμης της CPU που θα 'χαθούν' κατά την εναλλαγή προγραμμάτων (όχι απλά κλήση ρουτινών).

Context Switch: Θεματική Εναλλαγή. Υλοποίηση με Διακοπές (Interrupts), Εσωτερικές Διακοπές (Traps), Διακοπές Λογισμικού (Software Interrupts), και Κλήσεις Συστήματος (System Calls).

Στο επίπεδο Αρχιτεκτονικής Συνόλου Εντολών οι κλήσεις συστήματος, ο χρονομερισμός και ο πολυπρογραμματισμός υλοποιούνται με Διακοπές.

PSW (Processor Status Word): Έλεγχος Διακοπών, καθορισμός User / Supervisor Mode. Μόνο ο πυρήνας ελέγχει το Supervisor Mode bit.

Προβλήματα: τι συμβαίνει στη διοχέτευση, στην υπερβαθμωτή, πολυνηματική εκτέλεση με τη θεματική εναλλαγή;

Θεματική Εναλλαγή και Διακοπές


Λειτουργία Dual ModeΈνα supervisor mode bit προστίθεται στο καταχωρητή PSW για να

δείχνει την τρέχουσα κατάσταση, πχ: supervisor (0) ή user (1).Όταν συμβεί μια διακοπή το υλικό μεταπίπτει σε supervisor mode.

Οι Προνομιούχες εντολές (Privileged instructions) μπορούν να προκύψουν μόνον σε supervisor/kernel mode.

supervisor user

Interrupt/fault

set user mode


Προστασία CPU0

2n

code library

OS data

OS code

Program AdataData

Program B

Data

registers

CPU

R0

Rn

PC

main memory

x

x

mode

To supervisor mode bit δείχνει αν η CPU εκτελεί πρόγραμμα χρήστη (user mode) ή βρίσκεται σε κατάσταση πυρήνα (kernel mode).

Ορισμένες εντολές ή προσπελάσεις σε δεδομένα είναι δυνατές μόνον όταν η CPU λειτουργεί σε kernel mode.


Ανάκληση-εκτέλεση εντολής με διακοπές

Η Ρουτίνα Εξυπηρέτησης Διακοπών (Interrupt Service Routine) λειτουργεί σε kernel mode ώστε μόνο ο πυρήνας μπορεί να ελέγχειτο PSW και τα Interrupt Masks. Ανάλογα με το τύπο της διακοπήςη κατάσταση (mode) παραμένει σε kernel ή επιστρέφει σε user mode.


Κατηγορίες διακοπών

Υπάρχουν τρεις κύριες κατηγορίες διακοπών που προξενούν τη

διακοπή της κανονικής εκτέλεσης του προγράμματος.

External interrupts (εξωτερικές)

Internal interrupts (εσωτερικές)

Software interrupts (λογισμικού)


Εξωτερικές διακοπές

Προέρχονται από συσκευές Ι/Ο, συσκευές χρονισμού, από κυκλώματα που παρακολουθούν την τροφοδοσία του ηλεκτρικού ρεύματος και γενικά από οποιαδήποτε εξωτερική πηγή.

Παραδείγματα δημιουργίας εξωτερικών διακοπών:

συσκευές Ι/Ο που απαιτούν μεταβίβαση δεδομένων,

συσκευές Ι/Ο που ολοκληρώνουν τη μεταφορά δεδομένων

σφάλμα τροφοδοσίας

διακοπές χρονισμού, υπέρβασης χρονικού ορίου προγραμμάτων (χρονοδιακοπή, timeout)


Χρονισμός και Προστασία CPU

Χρονιστής (Timer): διακόπτει τη CPU ή μετά από μια καθορισμένη περίοδο (χρονοδιακοπή, timeout) για να εξασφαλίσει ότι το λ.σ. διατηρεί τον έλεγχο.

Ο χρονιστής μειώνεται με κάθε ωρολογιακό παλμό. Όταν φθάσει την τιμή 0, προκαλείται μια διακοπή.

Ο χρονιστής χρησιμοποιείται συχνά σε συστήματα καταμερισμού χρόνου (time sharing).

Χρησιμοποιείται επίσης για τον υπολογισμό της τρέχουσας ώρας.

Η φόρτωση του timer είναι μια προνομιούχος εντολή.


Αλληλεπίδραση υλικού και λ.σ. για clock interrupts


Εσωτερικές διακοπές

Προέρχονται από εσφαλμένη χρήση εντολών και δεδομένων. Ονομάζονται επίσης παγιδεύσεις (traps).

Παραδείγματα εσωτερικών διακοπών : υπερχείλιση καταχωρητών υπερχείλιση στοίβας προσπάθεια διαίρεσης με το μηδέν σφάλμα προστασίας λανθασμένος κωδικός εντολής

Αυτές οι συνθήκες σφάλματος προκαλούν συνήθως το πρόωρο τερματισμό της εκτέλεσης ενός προγράμματος. Το πρόγραμμα εξυπηρέτησης που επεξεργάζεται τις εσωτερικές διακοπές καθορίζει τη διορθωτική ενέργεια που πρέπει να γίνει.


Σύγκριση εσωτερικών και εξωτερικών διακοπών

Οι εσωτερικές διακοπές ξεκινούν από κάποια ασυνήθιστη κατάσταση που προκαλείται από ένα πρόγραμμα παρά από κάποιο εξωτερικό γεγονός.

Οι εσωτερικές διακοπές είναι σύγχρονες με το πρόγραμμα ενώ οι εξωτερικές είναι ασύγχρονες. Αν το πρόγραμμα εκτελεστεί ξανά, οι εσωτερικές διακοπές θα συμβούν στο ίδιο σημείο κάθε φορά.

Οι εξωτερικές διακοπές εξαρτώνται από εξωτερικές συνθήκες που

είναι ανεξάρτητες από το πρόγραμμα που εκτελείται κάθε φορά.

Οι εσωτερικές διακοπές και οι εξωτερικές διακοπές ξεκινούν από σήματα που προέρχονται από το υλικό ή την CPU.


Διακοπές λογισμικού

Μια διακοπή λογισμικού ξεκινά από την εκτέλεση μιας εντολής και είναι μια ειδική κλήση εντολής που συμπεριφέρεται περισσότερο ως διακοπή παρά σαν μια κλήση διαδικασίας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί από έναν προγραμματιστή για να ξεκινήσει μια διαδικασία διακοπής σε οποιοδήποτε σημείο του προγράμματος.

Η πιο συνήθης χρήση των διακοπών λογισμικού σχετίζεται με την κλήση μιας εντολής επόπτη (supervisor call instruction). Αυτή η εντολή παρέχει τον τρόπο για τη μετάβαση της CPU από τη κατάσταση χρήστη (user mode) σε κατάσταση επόπτη (supervisor mode).

Όταν ένα πρόγραμμα χρήστη χρειαστεί μια λειτουργία του λ.σ που απαιτεί το σύστημα να περιέλθει σε supervisor mode, το πρόγραμμα χρήστη καλεί μια εντολή επόπτη.

Αυτό συνήθως γίνεται έμμεσα, μέσω κλήσης συστήματος (system call). Όλες οι κλήσεις συστήματος δεν προκαλούν απαραίτητα διακοπή λογισμικού. Μπορεί να υλοποιηθούν και σε user mode.

Η εντολή επόπτη προκαλεί μια διακοπή λογισμικού που αποθηκεύει την τρέχουσα κατάσταση της CPU και εισάγει σε μια νέα κατάσταση την CPU που ανήκει στην κατάσταση επόπτη (context switch).


Ιεραρχία Μνήμης

Μια ιεραρχία μνήμης με πέντε (ή εννέα) φυσικά επίπεδα.

Οι τιμές είναι προσεγγιστικές.

Virtual memory

1-5 ns, 150GB/s

2-50 ns, 25-50 GB/s

30-50 ns,4 GB/s

15-30ms, 10-20 MB/s

L1 Instruction/Data on chip

L2 on chip package

L3 on board

16-256 καταχωρητές

Static RAML1: 16-64KL2: 128 -512KL3: 128K -8M

Dynamic RAM: ως 16G

HDD: ως Τ

Memory Management Unit (MMU): 'Μετάφραση' λογικής διεύθυνσης που παράγει το πρόγραμμα σε φυσική διεύθυνση, θέση στη μνήμη υπό τον έλεγχο του λ.σ. (Supervisor Mode). Ελέγχονται όλοι οι καταχωρητές που καθορίζουν τη πρόσβαση στο χώρο εργασίας του προγράμματος: PC, Stack, Heap κλπ. (base-limit).

Προστασία (Protection): το κάθε πρόγραμμα πρέπει να έχει 'ιδιωτικό' χώρο εργασίας, και όλα τα προγράμματα να μην έχουν πρόσβαση στο χώρο εργασίας του πυρήνα.

Πόρος (Resource): κάθε υποσύστημα του υπολογιστή ελέγχεται από το λ.σ., το οποίο είναι και υπεύθυνο για τη πολιτική προστασίας του, πχ CPU, μνήμη, δίαυλοι, συσκευές Ε/Ε, δίσκοι, αρχεία κλπ.

Προστασία Μνήμης

Επανατοποθέτηση (Relocation): μετά από εναλλαγή προγράμματος προς εκτέλεση λόγω χρονομερισμού ο χώρος εργασίας μπορεί να τοποθετηθεί σε διαφορετικό τμήμα της φυσικής μνήμης. Λύση: όλες οι διευθύνσεις του προγράμματος σχετικές (relative) = απόσταση (offset) από τους καταχωρητές που καθορίζουν τη πρόσβαση στο χώρο εργασίας του προγράμματος. Διαχείριση μέσω MMU.

Εξαιρέσεις: Ο χώρος εργασίας του πυρήνα, των ελεγκτών και ρουτινών διακοπών, ορισμένων βασικών συσκευών E/Ε (memory mapped Ι/Ο), του BIOS (Basic I/O System).

Προβλήματα: Τι συμβαίνει στη κρυφή μνήμη με τη θεματική αλλαγή;

Τί γίνεται με τη σύνδεση (linking) βιλιοθηκών; Τι συμβαίνει με τις πιθανές κοινόχρηστες βιβλιοθήκες; Τι σημαίνει Dynamic Library Linking?

Επανατοποθέτηση

Ορισμός χώρου διευθύνσεων

Ορισμός χώρου διευθύνσεων με τη βοήθεια καταχωρητών base-limit (Memory Management Unit, MMU).


Λογική και φυσική διεύθυνση

Κατά τη λειτουργία σε κατάσταση επόπτη (supervisor mode), το λ.σ. έχει απεριόριστη πρόσβαση σε ολόκληρη τη μνήμη.

Οι εντολές φόρτωσης (load) για τους καταχωρητές base & limit είναι προνομιούχες εντολές

Γεωμετρία: Ίχνη/Τροχιές, Κύλινδροι, Τομείς (σταθερός αριθμός bytes/τομέα).

Χρόνοι/Ταχύτητες: Περιστροφή Δίσκων+Μετακίνηση Κεφαλών= Αναζήτηση, Μεταφορά Δεδομένων.

Αποθήκευση Δεδομένων: Συνεχής ή Τμηματική (Fragmented);

Δίσκοι



Σχηματικό ΜητρικήςΠλακέτας

Δομή Διαύλων του Pentium 4.

Φαίνονται οι ελεγκτές των διαύλων και των συσκευών Ε/Ε.


Eίσοδος/Έξοδος, Ελεγκτές και Οδηγοί (1)

Ελεγκτής (Controller): το υλικό που είναι υπεύθυνο για τη διασύνδεση μιας συσκευής E/E με το δίαυλο (και με το σύστημα).

Σύνδεση δεδομένων: χαρτογραφημένη Ε/Ε (memory-mapped I/O).Σύνδεση ελέγχου: ελεγκτής διακοπών (interrupt controller).Οι λειτουργίες I/O και οι λειτουργίες της CPU μπορούν να εκτελούνται

ταυτόχρονα (σύγχρονη αρχιτεκτονική).Κάθε ελεγκτής συσκευής επιφορτίζεται με τον έλεγχο ενός τύπου

συσκευής.Κάθε ελεγκτής συσκευής διαθέτει ένα τοπικό buffer (ενταμιευτής μνήμης).Η CPU μετακινεί δεδομένα από / προς την κύρια μνήμη προς /από τα

τοπικά buffers.Οι λειτουργίες I/O γίνονται από τη συσκευή προς το τοπικό buffer του

ελεγκτή.Ο ελεγκτής συσκευής πληροφορεί την CPU ότι έχει ολοκληρώσει τη

λειτουργία του προκαλώντας μια διακοπή.

Οδηγός (Driver): το λογισμικό που είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση της συσκευής και του ελεγκτή Ε/Ε. Συνδέεται άμεσα με το πυρήνα (kernel) του λ.σ. Καλείται είτε μέσω του ανύσματος διακοπής (interrupt vector) από τη συσκευή ή μέσω διακοπής λογισμικού (software interrupt) από το σύστημα ή κάποιο πρόγραμμα. Εκτελείται σε supervisor mode (συνήθως).

Τρόποι σύνδεσης οδηγών στο λ.σ. Προεγκατάσταση, ενσωμάτωση στο λ.σ. (βασικοί οδηγοί) Κατά την εγκατάσταση του λ.σ. (επιλογή από διαθέσιμους οδηγούς) Κατά την εγκατάσταση της συσκευής (συνοδεύει τη συσκευή)

Plug and Play: επίλυση του προβλήματος συγκρούσεων (conflict) σε διευθύνσεις ανύσματος διακοπής, αριθμού διακοπής ή και memory-mapped I/O.

Eίσοδος/Έξοδος, Ελεγκτές και Οδηγοί (2)


Χαρτογράφηση μνήμης / ενταμιευτών

EPROM, RAM, και PIO σε χώρο διευθύνσεων 64 KB.


Ελεγκτής Διακοπών

Ελεγκτής Διακοπών 8259A .

Τα βήματα για την έναρξη μιας λειτουργίας Εισόδου/Εξόδου και η αντίστοιχη κλήση Διακοπής.

Είσοδος/Έξοδος και Διακοπές



Προστασία Ε/Ε

Όλες οι εντολές Ε/Ε είναι προνομιούχες εντολές.

Εξασφαλίζεται έτσι ότι ένα πρόγραμμα χρήστη δεν θα μπορεί ποτέ να αποκτήσει τον πλήρη έλεγχο ενός πόρου, και, από λάθος, να μην τον επιστρέφει.

Ένα πρόγραμμα χρήστη εκτελεί λειτουργίες Ε/Ε μέσω κλήσεων συστήματος, τη μέθοδο που χρησιμοποιείται από μια διεργασία για να απαιτήσει ενέργεια από το Λ.Σ.

Συνήθως έχει τη μορφή διακοπής λογισμικού ή trap σε μια καθορισμένη θέση του διανύσματος διακοπών.

Ο έλεγχος περνά διαμέσου του διανύσματος διακοπών σε μια ρουτίνα εξυπηρέτησης στο λ.σ. και το mode bit τίθεται σε kernel (supervisor) mode.

Ο πυρήνας διαπιστώνει ότι οι παράμετροι είναι σωστοί και αποδεκτοί, εκτελεί την απαίτηση και επιστρέφει τον έλεγχο στην εντολή που ακολουθεί την κλήση συστήματος (system call).


Χρήση κλήσης συστήματος για την εκτέλεση Ε/Ε


Σύγχρονη Ε/Ε

• Κατά τη διάρκεια εκτέλεσης, κάθε πρόγραμμα χρειάζεται μια λειτουργία Ε/Ε για να δέχεται δεδομένα από το πληκτρολόγιο, να ανοίγει αρχεία και να εκτυπώνει αποτελέσματα.

• Στα πρώτα υπολογιστικά συστήματα ένα πρόγραμμα έπρεπε να περιμένει την ολοκλήρωση της λειτουργίας Ε/Ε. (Σύγχρονη Ε/Ε)

• Έτσι συχνά η CPU παρέμενε ανενεργή (όχι άλλη εργασία): μια λειτουργία E/E ανά πρόγραμμα .

• Μόνο μια λειττουργία Ε/Ε ανά συσκευή.

requesting processwaiting

device driver

Interrupt handler

Hardwaredata transfer

user

kernel

time


Ασύγχρονη Ε/Ε και διακοπές (1)

• Η ασύγχρονη Ε/Ε επιστρέφει τον έλεγχο στο πρόγραμμα του χρήστη χωρίς να αναμένει την ολοκλήρωση των Ε/Ε.

• Όταν ολοκληρωθεί η λειτουργία Ε/Ε,προκαλείται μια διακοπή στην CPU που αναστέλλει προσωρινά το πρόγραμμα χρήστη και διαχειρίζεται τη συσκευή Ε/Ε.

• Το λ.σ. διατηρεί πίνακα με τη κατάσταση των συσκευών Ε/Ε.

• Πολλαπλές λειτουργίες Ε/Ε ανά πρόγραμμα και ανά συσκευή (spooling)

requesting processcontinuing

device driver

Interrupt handler

Hardwaredata transfer

user

kernel

time


Ασύγχρονη Ε/Ε και διακοπές (2)

Πίνακας κατάστασης συσκευών Ε/Ε


Direct Memory Access (1)


0. H CPU ζητά από μια συσκευή να εκτελέσει διαδικαια Ε/Ε. 1. Η συσκευή που θέλει να εκτελέσει DMA ειδοποιεί τον διαιτητή διαύλου και τη CPU (μέσω διακοπής). 2. H CPU στο τέλος του τρέχοντος κύκλου ανάκλησης-εκτέλεσης αποδέχεται (ack μέσω ISR). 3. Η συσκευή καταλαμβάνει το δίαυλο. 4. Η CPU ενημερώνεται για την κατάληψη και ετοιμάζει τη καταγραφή κίνησης των δεδομένων (supervisor mode). Μπορεί να συνεχίσει σε λειτουργίες που δεν απαιτούν κατάληψη διαύλου. 5. Η συσκευή DMA εκτελεί τη μεταφορά δεδομένων. 6. Κατά τη μεταφορά η CPU ελέγχει τις διευθύνσεις μνήμης που γράφονται (DMA write) και σε περίπτωση που απαιτείται ενημερώνει της κρυφής μνήμης (supervisor mode). 7. Στο τέλος της μεταφοράς DMA η συσκευή ενημερώνει το διαιτητή διαύλου και ελευθερώνει το δίαυλο (μέσω διακοπής). 8. Η CPU ενημερώνεται και συνεχίζει τις επικοινωνίες διαύλου εκεί που είχε σταματήσει (μέσω ISR).

Direct Memory Access (2)


Είδη διακοπών στον Intel Pentium

Ο επεξεργαστής μπορεί να λάβει δύο είδη σημάτων: διακοπές (interrupts) και εξαιρέσεις (exceptions).

Οι διακοπές ενημερώνουν τον επεξεργαστή ότι συνέβη ένα γεγονός ή ότι έχει αλλάξει η κατάσταση μιας εξωτερικής συσκευής.

Η αρχιτεκτονική είναι επίσης εφοδιασμένη με software interrupts και οι διεργασίες μπορούν να τις χρησιμοποιήσουν για να εκτελέσουν κλήσεις συστήματος.

Οι εξαιρέσεις δείχνουν ότι έχει συμβεί κάποιο σφάλμα, είτε στο υλικό είτε ως αποτέλεσμα μιας εντολής λογισμικού.

Η αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί επίσης εξαιρέσεις για την προσωρινή διακοπή μιας διεργασίας.


Διακοπές Pentium

Επιτρέπουν την ανταλλαγή μηνυμάτων σε multiprocessor συστήματα

Inter-processor interrupts

Ένα σύστημα μπορεί να περιέχει συσκευές που παράγου διακοπές περιοδικά. Οι διακοπές αυτές χρησιμοποιούνται από διεργασίες διαχείρισης χρόνου και παρακολούθησης της απόδοσης. Επίσης ελέγχουν αν έχει παρέλθει το κβάντο χρόνου μιας διεργασίας.

timer

Ξεκινούν από το υλικό Ι/Ο και ενημερώνουν τον επεξεργαστή για την αλλαγή κατάστασης μιας συσκευής

Ι/Ο

Περιγραφή Τύπος


Εξαιρέσεις Pentium

Προκύπτουν όταν ο επεξεργαστής ανιχνεύσει σφάλμα από το οποίο η διεργασία δεν μπορεί να επανέλθει

abort

Δημιουργούνται από υπερχειλίσεις και όταν ο έλεγχος του προγράμματος φθάσει σε σημείο διακοπής του κώδικα

trap

Συμβαίνουν κατά την εκτέλεση εντολών γλώσσας μηχανής. Περιλαμβάνουν τη διαίρεση με το μηδέν, προσπάθεια εκτέλεσης μη επιτρεπτών εντολών, προσπάθεια αναφοράς σε διευθύνσεις μνήμης που δεν υπάρχουν, προσπάθεια εκτέλεσης προνομιούχων εντολών και αναφορά σε προστατευμένο πόρο

faultΠεριγραφήTύπος

Οι λειτουργίες που ακολουθούν αποτελούν τα βασικά συστατικά (components) ενός λ.σ. και τα κεντρικά θέματα των ενοτήτων που θα ακολουθήσουν. Είναι οι βασικές λογικές αφαιρέσεις που αποκρύπτουν τα κατώτερα επίπεδα από τις εφαρμογές και το χρήστη.

• Διαχείριση Διεργασιών

• Διαχείριση Μνήμης

• Διαχείριση Αρχείων

• Διαχείριση Ε/Ε

• Διαχείριση Δευτερεύουσας Μνήμης

• Ασφάλεια και Προστασία

• Φλοιός ή Κέλυφος

Βασικές Λειτουργίες



Διαχείριση διεργασιών

Μια διεργασία είναι ένα πρόγραμμα που εκτελείται.

Μια διεργασία για να εκτελεστεί απαιτεί συγκεκριμένους πόρους, όπως CPU, μνλημη, αρχεία, συσκευές Ε/Ε.

Το λ.σ. είναι υπεύθυνο για:

Δημιουργία και τερματισμός διεργασιών

Αναστολή και επανεκτέλεση διεργασιών

Δρομολόγηση διεργασιών

Παροχή μηχανισμών:

Συγχρονισμού διεργασιών

Επικοινωνίας διεργασιών

Επίλυσης προβλημάτων ανταγωνισμού και αδιεξόδων

Διεργασίες

Διεργασία: ένα πρόγραμμα που εκτελείται.Ένα δένδρο διεργασιών. Η διεργασία A δημιούργησε δύο διεργασίες, τις B και

C. Η διεργασία B δημιούργησε τρείς διεργασίες τις D, E και F. Βασικοί 'δημιουργοί' διεργασιών: • το λ.σ. κατά την εκκίνηση• ο χρήστης μέσω του φλοιού (ή του GUI).


Χώρος διευθύνσεων διεργασίας

Ο χώρος διευθύνσεων ή χώρος εργασίας ή εικόνα μνήμης (core image) μιας διεργασίας περιλαμβάνει -κατ' ελάχιστο: το πρόγραμμα (text), τα δεδομένα (data), και τη στοίβα (stack).

Ακόμη έχουμε το σωρό (heap) και τη κοινόχρηστη μνήμη (global data, system calls, libraries) – τα οποία δεν φαίνονται στο σχήμα.


Τυπική υλοποίηση διεργασίας

Δύο διεργασίες Α και Β υπάρχουν σε τμήματα μνήμης. Ένα τμήμα μνήμης ανατίθεται σε κάθε διεργασία.

Ποια διεργασία εκτελείται αυτή τη στιγμή;

Χαρακτηριστικά διεργασιώνΒασικές καταστάσεις: δημιουργία (create), έτοιμη (ready), εκτέλεση (run), αναστολή (block), τερματισμός (terminate)

CPU context και status: αποθηκεύεται στην αναστολή και επανέρχεται στην εκτέλεση (context switch).

Πίνακας διεργασιών: διατηρείται από το λ.σ. και περιέχει μια εγγραφή για κάθε διεργασία (και δείκτη σε χώρο διευθύνσεων και context):

Process ID, User ID, Group ID, προτεραιότητα, ...

Superuser (root), Administrator: χρήστης με αυξημένα δικαιώματα διαχείρισης διεργασιών και λ.σ. Προνομιούχες διεργασίες = προνομιούχες εντολές.

Σήματα (signals) - διαδιεργασιακή επικοινωνία (interprocess communication): ανταλλαγή σημάτων ελέγχου (πχ stop, kill) και δεδομένων μεταξύ διεργασιών (πχ pipe: ls -l | more).

Οι διεργασίες ως αφαίρεση

Εκτελούμενη διεργασία = κώδικας που εκτελείται στη CPU

Χώρος διευθύνσεων διεργασίας = CPU context + status

Σήματα και διαδιεργασιακή επικοινωνία = μέσω λ.σ. (διακοπές)

Εναλλαγή διεργασιών = Θεματική εναλλαγή

Έλεγχος και Δρομολόγηση διεργασιών = μέσω λ.σ. (πυρήνας)

Δημιουργία διεργασιών = μέσω λ.σ. (εκκίνηση, φλοιός)

Είσοδος / Έξοδος = μέσω λ.σ. (πυρήνας)

Μέσω της έννοιας και των χαρακτηριστικών της διεργασίας αποκρύπτουμε όλες τις δυσκολίες της διαχείρισης διακοπών. Τα ανώτερα επίπεδα 'βλέπουν' ακολουθιακές διεργασίες που επικοινωνούν και όχι διακοπές.


Δρομολόγηση και διαχείριση πόρων (1)

Αμεροληψία (κατηγορίες διεργασιών και βαθμοί προτεραιότητας)

Δυναμική απόκριση (το λ.σ. πρέπει να πάρει αποφάσεις για τη δρομολόγηση των απαιτήσεων που προκύπτουν δυναμικά)

ΑποτελεσματικότηταΜεγιστοποίηση της απόδοσης (performance) / χρησιμότητας

(utilisation) / ρυθμαπόδοσης (throughput)Ελαχιστοποίηση του χρόνου απόκρισης (responce time)Εξυπηρέτηση πολλών χρηστώνΑπόκριση πραγματικού χρόνου (real time)

Η δρομολόγηση και διαχείριση πόρων μπορεί να μοντελοποιηθεί ως πρόβλημα βελτιστοποίησης.



Το Λ.Σ. διατηρεί έναν αριθμό ουρών κάθε μια από τις οποίες είναι μια λίστα διεργασιών που αναμένουν για κάποιον πόρο.

• Βραχυπρόθεσμη ουρά (διεργασίες που βρίσκονται στην κύρια μνήμη και είναι έτοιμες να εκτελεσθούν)

Βραχυπρόθεσμος δρομολογητής ή διεκπεραιωτής (dispatcher)

Στρατηγικές επιλογής

Εκ περιτροπής εξυπηρέτηση (round-robin)

Επίπεδα προτεραιότητας

• Μακροπρόθεσμη ουρά (λίστα από νέες διεργασίες που περιμένουν να χρησιμοποιήσουν τον επεξεργαστή)

• Ουρές για συσκευές Ε/Ε (όλες οι διεργασίες που περιμένουν να χρησιμοποιήσουν μια συσκευή δημιουργούν την ουρά της συσκευής)

Ανταγωνισμός και αδιέξοδα

Συνθήκη Ανταγωνισμού (Race Condition) = όταν δύο ή περισσότερες διεργασίες προσπαθούν μέσω του λ.σ. να ελέγξουν ένα πόρο (π.χ. ανάγνωση από δίσκο).

Η συνθήκη ανταγωνισμού μπορεί να ελεγθεί με Αμοιβαίο Αποκλεισμό (Mutual Exclusion), δηλαδή μια διεργασία να αναμένει υποχρεωτικά την άλλη και αντιστρόφως.

Αν η συνθήκη ανατγωνισμού δε λυθεί με αμοιβαίο αποκλεισμό από το λ.σ. τότε καταλήγουμε σε Αδιέξοδο (Deadlock).

Τα σφάλματα προκύπτουν μόνον έπειτα από συγκεκριμένες και σπάνιες αλληλουχίες ενεργειών.Η ανίχνευση του σφάλματος δε καθορίζει αυτόματα και την αιτία από την οποία προήλθε.


Λόγοι σφαλμάτων διεργασιών

Ανακριβής συγχρονισμόςΚατά τη διαδιεργασιακή επικοινωνία τα σήματα που παράγονται από

τις διακοπές πιθανώς να μην συχγρονιστούν σωστά.

Αποτυχημένος αμοιβαίος αποκλεισμόςΗ προσπάθεια από χρήστες ή προγράμματα να κάνουν χρήση ενός

διαμοιραζόμενου πόρου την ίδια χρονική στιγμή

Ακαθόριστη λειτουργία προγράμματοςΠολλά προγράμματα που διαμοιράζονται μνήμη να παρεμβαίνουν

μεταξύ τους επανεγγράφοντας κοινές περιοχές της μνήμης με μη προβλέψιμους τρόπους.

Η σειρά με την οποία δρομολογούνται διάφορα προγράμματα μπορεί να επηρεάσει το αποτέλεσμα.

Αδιέξοδα (deadlocks)Δύο ή περισσότερα προγράμματα είναι σε αναμονή περιμένοντας το

ένα το άλλο

Διαχείριση μνήμης (1)Το λ.σ. είναι υπεύθυνο για :

Να κρατά λογαριασμό ποιά τμήματα της κύριας μνήμης είναι σε χρήση και από ποιά διεργασία.

Να αποφασίσει σε ποιό τμήμα της κύριας μνήμης θα φορτωθεί η κάθε διεργασία, αν υπάρχει ελεύθερος χώρος.

Να δεσμεύει και αποδεσμεύει το χώρο της κύριας μνήμης.

Διαχείριση μνήμης (2)Προστασία Μνήμης: Ιδιωτικός χώρος διευθύνσεων κάθε διεργασίας. Εξαιρέσεις, η κοινόχρηστες βιβλιοθήκες, οι κλήσεις συστήματος. Dual mode: user/protected mode και kernel/supervisor mode.

Επανατοποθέτηση (Relocation): Ο χώρος διευθύνσεων της διεργασίας έχει 'λογικές' διευθύνσεις που παραμένουν ίδιες όταν αλλάζουν οι 'φυσικές' διευθύνσεις λόγω δρομολόγησης.

Εικονική/Ιδεατή Μνήμη (Virtual Memory): O χώρος διευθύνσεων της διεργασίας έχει 'λογικές' διευθύνσεις που μπορεί να ξεπερνούν σε μέγεθος τις 'φυσικές' διευθύνσεις. Χρήση δευτερεύουσας μνήμης ως χώρο επέκτασης (χώρος εναλλαγής, swapping).

Ο προστατευμένος, επανατοποθετήσιμος, πρακτικά άπειρος, χώρος διευθύνσεων μιας διεργασίας αποτελεί μια λογική αφαίρεση της κύριας μνήμης, την οποία παρέχει το λ.σ. προς τα ανώτερα επίπεδα.


Εικονική / Ιδεατή μνήμη (1)

Η ιδεατή μνήμη είναι μια υπηρεσία του λ.σ. που επιτρέπει σε προγράμματα να διευθυνσιοδοτούν τη φυσική μνήμη του συστήματος με λογικό τρόπο, χωρίς να λαμβάνουν υπόψη το διαθέσιμο μέγεθος της φυσικής μνήμης.

Με την ιδεατή μνήμη αντιμετωπίζεται η απαίτηση πολλαπλές διεργασίες να βρίσκονται ταυτόχρονα στην κεντρική μνήμη.

Όταν ο επεξεργαστής εναλλάσσεται μεταξύ ενός πλήθους διεργασιών είναι δύσκολο να τις ομαδοποιήσει συμπαγώς στην κύρια μνήμη, επειδή οι διεργασίες ποικίλουν σε μέγεθος. Χρησιμοποιούνται συστήματα σελιδοποίησης.


Εικονική / Ιδεατή μνήμη (2)

Επιτρέπει στις διεργασίες να αποτελούνται από τμήματα μνήμης σταθερού μεγέθους που λέγονται σελίδες (π.χ. με μέγεθος 4K).

Κάθε σελίδα μπορεί να είναι τοποθετημένη οπουδήποτε στην κύρια μνήμη.

Κάθε πρόγραμμα αναφέρει μια λογική/εικονική διεύθυνση και το σύστημα σελιδοποίησης την μετατρέπει σε φυσική δηλαδή πραγματική διεύθυνση.

Το επόμενο βήμα ;

Να ελαχιστοποιηθεί η απαίτηση όλες οι σελίδες μιας διεργασίας να βρίσκονται ταυτόχρονα στην κύρια μνήμη. Όσες δεν βρίσκονται μεταφέρονται από την δευτερεύουσα μνήμη μέσω του συστήματος διαχείρισης μνήμης (χώρος εναλλαγής).


Διευθυνσιοδότηση ιδεατής μνήμης (1)


Διευθυνσιοδότηση ιδεατής μνήμης (2)


Διαχείριση αρχείων

Ένα αρχείο είναι μια λογική αφαίρεση της φυσικής οργάνωσης της πληροφορίας στη δευτερεύουσα μνήμη και σε συσκευές Ε/Ε.

Επίσης αποτελεί απλή δομή δεδομένων στη κύρια μνήμη, δηλαδή μια ακολουθία (ροή, stream) από bytes που μπορεί να αγανωστεί σε ομάδες (blocks, records, fields, characters).


Δημιουργία, διαγραφή, αντιγραφή, μετονομασία, μετακίνηση, σύνεση αρχείων.

Δημιουργία, διαγραφή, και διαχείριση καταλόγων.

Απεικόνιση / επικοινωνία δεδομένων αρχείων μεταξύ κύριας και δευτερεύουσας μνήμης.

Φόρτωμα/σώσιμο αρχείων πρός/από τη κύρια μνήμη.

Κατάλογοι (Directories) ή Φάκελλοι (Folders).

Αρχεία, Δυαδικά (binary ή block) ή κειμένου (text).

Κρυφά (Hidden) αρχεία/κατάλογοι: συνήθως αρχεία ρυθμίσεων

Σύνδεσμοι (Links): 'συνώνυμα' ονόματα αρχείων. Ένα αρχείο φαίνεται να έχει δύο ή περισσότερες 'θέσεις' στην ιεραρχία, (δενδρική δομή) του συστήματος αρχείων (file system).

File Buffer (Ενταμιευτής): το τμήμα της κύριας μνήμης (δομή δεδομένων) που αποθηκεύει μέρος του αρχείου που βρίσκεται στη κύρια μνήμη. Μέσω αυτού γίνεται η ανάγνωση/εγγραφή.

File Pointer: δείκτης στις δομές δεδομένων χειρισμού ενός αρχείου από γλώσσα υψηλού επιπέδου. Επιστρέφεται ως αποτέλεσμα μια κλήσης 'ανοίγματος' ενός αρχείου.

File Descriptor (Περιγραφέας) και File Attributes (Ιδιότητες): στοχεία που περιλαμβάνει η δομή δεδομένων χειρισμού του αρχείου. Χειρισμός χαμηλού επιπέδου (κλήση συστήματος).

Παρόμοια δεδομένα υπάρχουν και για καταλόγους, συσκευές κλπ.

Αρχεία (1)


Ρίζα (Root): o αρχικός κατάλογος (/)

Κατάλογος εργασίας (Working directory), τρέχων κατάλογος: .

Γονικός κατάλογος (parent): ..

Οικείος κατάλογος (home direcory): ~

Όνομα διαδρομής (Pathname): απόλυτο (absolute), από τη ρίζα

σχετικό (relative), από το κατάλογο εργασίας.

Βασικές κλήσεις συστήματος (εντολές) για

* δημιουργία αρχείου / καταλόγου

* μετακίνηση μέσα στο σύστημα αρχείων

* αντιγραφή / διαγραφή / μετονομασία αρχείου / καταλόγου

* προσάρτηση / αποπροσάρτηση συσκευών / συστημάτων αρχείων

Συνήθως απλό Point-and-click..αλλά πρέπει να καλούνται από προγράμματα και από το λ.σ.

Αρχεία (2)


Τυπική δενδρική δομή ενός συστήματος αρχείων.

Αρχεία (3)


(a) Πριν από τη προσάρτηση (mounting) τα αρχεία στο CD-ROM δεν είναι προσπελάσιμα. (b) Μετά τη προσάρτηση, τα αρχεία του CD-ROM εισάγονται στη δενδρική δομή του συστήματος αρχείων.

Προσάρτηση



Διαχείριση Ε/Ε


Απεικόνιση συσκευών Ε/Ε στη μνήμη (I/O buffer)

Επικοινωνία δεδομένων από/πρός τη συσκευή Ε/Ε

Παροχή ενός συνόλου γενικευμένων διεπαφών ή οδηγών

Ε/Ε (generic I/O interfaces / drivers)

Παροχή ή τη δυνατότητα ενσωμάτωσης/ενημέρωσης νέων/

εξειδικευμένων οδηγών/συσκευών Ε/Ε

Δύο διεργασίες που συνδέονται με διοχέτευση/δίαυλο (pipe).

Π.χ. $ who | grep john

Aνακατεύθυνση: $ who > afile και $ program < input

Ροές (streams): λογική σύνδεση αρχείων με συσκευές E/E. Π.χ. stdin=πληκτρολόγιο, stdout=οθόνη.

Συσκευές (Devices): ειδικά δυαδικά αρχεία (block)

Ροές και συσκευές Ε/Ε


Η Είσοδος/Έξοδος ως αφαίρεση

Συσκευή Ε/Ε = ειδικό αρχείο, ανάλογα με το τύπο της συσκευής

Αρχείο χαρακτήρων: πληκτρολόγιο, οθόνη, εκτυπωτής, ποντίκι κλπ

Αρχείο δυαδικό (block): δίσκοι, CD, DVD.

Εγκατάσταση = αναγνώριση ελεγκτή, οδηγού

Προσάρτηση = σύνδεση στο σύστημα αρχείων

Λειτουργία = ανάγνωση, εγγραφή σε ειδικό αρχείο

Περιορισμός της διεπαφής με τα κατώτερα επίπεδα στην εγκατάσταση.


Διαχείριση δευτερεύουσας μνήμης


Διαμόρφωση, οργάνωση χώρου και διαχείριση των δίσκων

Εκχώρηση χώρου σε αρχεία και τήρηση σχετικού μητρώου

Συντονισμό και χρονο-δρομολόγηση προσπελάσεων

(αναγνώσεων / εγγραφών) στο δίσκο.


Ασφάλεια και προστασία

Το λ.σ. Παρέχει ασφάλεια μέσω μηχανισμών προστασίας που ελέγχουν τα δικαιώματα / άδειες προσπέλασης των διεργασιών και των χρηστών στους πόρους του συστήματος, δηλαδή στη CPU, στη κύρια μνήμη, στη δευτερεύουσα μνήμη και στις συσκευές Ε/Ε.

Ο μηχανισμός προστασίας του λ.σ. καθορίζει και ελέγχει:

Τις προνομιούχες λειτουργίες / εντολές στη CPU (dual mode).

Το χώρο διευθύνσεων κάθε διεργασίας στη κύρια (και ιδεατή) μνήμη.

Τις άδειες προσπέλασης διεργασιών και αρχείων.

Τα δικαιώματα προσπέλασης χρηστών και διεργασιών.

Κάθε αρχείο και κάθε διεργασία έχουν ένα ιδιοκτήτη (τα του συστήματος έχουν ως ιδιοκτήτη τον root ή administrator).

Κάθε χρήστης ανήκει σε μια ομάδα χρηστών (έστω και μονομελή)

Κάθε χρήστης ή διεργασία έχει την άδεια να προσπελάσει μόνο αρχεία ή διεργασίες με βάση ένα σχήμα δικαιωμάτων που καθορίζεται κατά τη δημιουργία του αρχείου ή της διεργασίας και μπορεί να τροποποιηθεί μόνο από τον ιδιοκτήτη ή το διαχειριστή.

Σχήμα δικαιωμάτων αρχείων

Type Owner Group Other

d r w x r w x r w x

Προστασία: άδειες και δικαιώματα


.

Ο φλοιός (shell) είναι μια διεργασία που επεξεργάζεται εντολές.

Η 'χαμηλότερη' αφαίρεση στην επικοινωνία χρήστη-υπολογιστή.

Διαλογικός (interactive) φλοιός: επικοινωνία μέσω τερματικού.

Μη-διαλογικός φλοιός: επικοινωνία μέσω άλλης διεργασίας (πχ μέσω GUI ή μέσω δικτύου)

Φλοιός δέσμης (batch): εκτέλεση δέσμης εντολών χωρίς απαραίτητα τη σύνδεση χρήστη (πχ backup).

Ο διαλογικός φλοιός παρέχει μια προτροπή (prompt) και αναμένει εντολές που ενεργοποιούνται με enter. Πχ

$ date <enter>

$ ls l > mydir

$ ls a | grep bash

$ sort <file1 >file2

$ cat file1 file2 file3 | sort > /dev/lp

Φλοιός ή Κέλυφος (1)


.

Κάθε γραμμή εντολής (command line) περιέχει ονόματα εντολών, επιλογές (options), ορίσματα (arguments), τελεστές και άλλες δεσμευμένες λέξεις του φλoιού.

Περιβάλλον (environment) του φλοιού λέγεται μια λίστα από μεταβλητές που ορίζουν τις συνθήκες εκτέλεσης του φλοιού, πχ κωδικός χρήστη, κατάλογος εργασίας, ονόματα διαδρομής εντολών, τύπος τερματικού κλπ.

Κάθε γραμμή εντολής δημιουργεί μια ή περισσότερες διεργασίες που επικοινωνούν με αρχεία, συσκευές και μεταξύ τους (μέσω του λ.σ.) για την εκτέλεση των εντολών.

Η εκτέλεση μιας εντολής ή ενός σεναρίου μπορεί να γίνει στο προσκήνιο (foreground) ή στο παρασκήνιο (background) ή να χρονοπρογραμματεί (για μη-διαλογικές εντολές).

$ gedit &

$

Ο φλοιός δημιουργεί τη διεργασία gedit αλλά δεν τη περιμένει να τερματιστεί.



.

Μια ή περισσότερες γραμμές εντολών μπορούν να ομαδοποιηθούν σε ένα αρχείο κειμένου που ονομάζεται αρχείο δέσμης (batch file) ή σενάριο (script). Αυτό μπορεί να εκτελεστεί ως σύνολο, με απλή κληση του ονόματός του. Ο φλοιός έχει δική του 'γλώσσα' που επιτρέπει σύνθεση εντολών. Έτσι γίνεται μεγάλο μέρος της δουλειάς του προγραμματισμού συστημάτων.

#!/bin/bash# This script can clean up files that end up in *.old.USAGE="Usage: $0 dir1 dir2 dir3 ... dirN"if [ "$#" == "0" ]; then echo "$USAGE" exit 1fiwhile (( "$#" )); do if [[ "$(ls $1)" == "" ]]; then echo "Empty directory $1, nothing to be done." else find $1 type f a name '*.old' exec rm i {} \; fi shiftdone



.


Μερικές ακόμη υπηρεσίες

Περιβάλλον εκτέλεσης (Run Time Environment). Φόρτωση και εκτέλεση προγραμμάτων χρηστών και άλλων

εφαρμογών. Επαναφορά σε περίπτωση σφάλματος.

Έλεγχοι σφαλμάτων σε όλες τις λειτουργίες.

Καταγραφές (Logging) διαφόρων λειτουργιών.

Δικτύωση (Networking) Βασικές υπηρεσίες για σύνδεση με άλλα υπολογιστικά

συστήματα μέσω δικτύου (πρωτόκολλο TCP/IP).


Κλήσεις συστήματος (system calls)

Η διεπαφή μεταξύ του λ.σ. και των προγραμμάτων των χρηστών ορίζεται μέσω ενός συνόλου “εκτεταμένων εντολών” (extended instructions) που παρέχει το λ.σ.

Αυτές οι “εκτεταμένες εντολές” είναι περισσότερο γνωστές ως κλήσεις συστήματος.

Γράφονται γενικά σε γλώσσα assembly.Περιλαμβάνονται σε βιβλιοθήκες που παρέχουν διεπαφή με

γλώσσες υψηλού επιπέδου, συνήθως C.

Υπάρχουν τρεις γενικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη μεταβίβαση παραμέτρων:

Μεταβίβαση παραμέτρων σε καταχωρητές.Αποθήκευση των παραμέτρων σε πίνακα στη μνήμη.Αποθήκευση (push) των παραμέτρων στη στοίβα (stack).


Κλήσεις συστήματος (2)

Τα προγράμματα του χρήστη επικοινωνούν με το λ.σ. και αιτούνται εξυπηρέτηση εκτελώντας κλήσεις συστήματος.

Σε κάθε κλήση συστήματος αντιστοιχεί μια καθορισμένη γνωστή διαδικασία την οποία μπορούν να καλέσουν τα προγράμματα του χρήστη (καλά ορισμένο API, πχ POSIX ή Windows API).

Η διαδικασία αυτή τοποθετεί τις παραμέτρους κλήσης συστήματος σε μια επιλεγμένη περιοχή και στη συνέχεια εκπέμπει μια εντολή software interrupt ή trap (κλήση διαδικασίας σε kernel / supervisor mode) για να ξεκινήσει το λ.σ.

Μόλις το λ.σ. αναλάβει τον έλεγχο, μετά από τo software interrupt ή trap εξετάζει αν οι παράμετροι είναι αποδεκτές, και αν είναι εκτελεί την εργασία.


Όταν η εργασία τελειώσει, το λ.σ. τοποθετεί έναν κωδικό κατάστασης (status code) σε έναν καταχωρητή, ειδοποιώντας για την επιτυχή ή ανεπιτυχή εκτέλεση και εκτελεί μια εντολή επιστροφής από διακοπή (return from interrupt / trap), για να επιστρέψει τον έλεγχο στη διαδικασία βιβλιοθήκης που προκάλεσε τη κλήση συστήματος.

Στη συνέχεια η διαδικασία βιβλιοθήκης επιστρέφει στο πρόγραμμα που την κάλεσε, επιστρέφοντας τον κωδικό κατάστασης σαν τιμή επιστροφής (return value) μιας συνάρτησης.

Ο αριθμός και ο τύπος των κλήσεων συστήματος διαφέρει στα διάφορα λ.σ.




Πέρασμα παραμέτρων μέσω καταχωρητή – δείκτη σε πίνακα.

Τα 11 βήματα για την εκτέλεση της κλήσης συστήματοςcount = read(fd, buffer, nbytes).




Οι κλήσεις συστήματος ως αφαίρεση• Διαχείριση διεργασιών

• Διαχείριση αρχείων

• Είσοδος / Έξοδος

• Διαχείριση μνήμης

• Επικοινωνία διεργασιών

Οι κλήσεις συστήματος επιτρέπουν την διαχείριση διαφορετικών κατωτέρων επιπέδων (διαφορετικού υλικού) χωρίς την αλλαγή της διεπαφής των ανωτέρων επιπέδων. Τα ανώτερα επίπεδα 'βλέπουν' ουσιαστικά το λ.σ. μέσω των κλήσεων συστήματος (του ΑPI) χωρίς να ενδιαφέρονται για το υλικό καθ' αυτό.

Η υλοποίηση ενός λ.σ. είναι για τα ανώτερα επίπεδα υλοποίηση κλήσεων συστήματος. Μια εφαρμογή 'τρέχει' σε ένα λ.σ. Όταν περιλαμβάνει τις κατάλληλες κλήσεις συστήματος.

Κλήσεις συστήματος POSIX για διαχείριση διεργασιών.

Κλήσεις Συστήματος για Διαχείριση Διεργασιών


Κλήσεις συστήματος POSIX για διαχείριση αρχείων.

Κλήσεις Συστήματος για Διαχείριση Αρχείων (1)


Κλήσεις συστήματος POSIX για διαχείριση αρχείων.

Κλήσεις Συστήματος γιαΔιαχείριση Αρχείων (2)


(a) Δύο κατάλογοι πριν τη σύνδεση του αρχείου /usr/jim/memo με τον κατάλογο /usr/ast.

(b) Οι ίδιοι κατάλογοι μετά τη σύνδεση. Το αρχείο /usr/ast/note δείχνει (συνδέεται με) το αρχείο /usr/jim/memo.

Σύνδεση (Linking)


(a) Σύστημα αρχείων πριν τη προσάρτηση.

(b) Σύστημα αρχείων μετά τη προσάρτηση.

Προσάρτηση (Mounting)


Μερικές ακόμη κλήσεις συστήματος POSIX.

Άλλες Κλήσεις Συστήματος



Επικοινωνία διεργασιών

Μεταβίβαση Μηνυμάτων Μοιραζόμενη Μνήμη

Το main() ενός πολύ απλού φλοιού.

Απλός Φλοιός


Αντιστοίχιση κλήσεων συστήματος Win32 API και POSIX.

Windows Win32 API


• Χρήση γλώσσας C (C++ ή C#)

• 'Μικρή', μεταφερτή (portable) γλώσσα, ανεξάρτητος (system independent) μεταγλωττιστής, πολλές Βιβλιοθήκες (system dependent)

• Βιβλιοθήκες C: Header (include) files και Object (lib) files

• Πρότυπες βιβλιοθήκες: ISO Standard και ISO POSIX

• Μεταγλώττιση πολλών αρχείων (Separate compilation)

• Make (Build): ενημέρωση μόνο των αρχείων που έχουν τροποποιηθεί από τη προηγούμενη μεταγλώττιση

• Εξαρτήσεις (Dependencies): ποιά αρχεία εξαρτώνται από ποιά κατά τη μεταγλώττιση.

Πού είναι οι κλήσεις συστήματος;


Διαδικασία μεταγλώττισης στη C


/usr/bin/gcc: εκτελέσιμο GNU C (gcc)

/usr/include: header files

/usr/lib: library object files

$ gcc prog.c

$./a.out

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main (int argc, char **argv, char **envp)

{

...

}

Τυπική χρήση C σε Linux


ISO C library header files

<assert.h>

<complex.h>

<ctype.h>

<errno.h>

<fenv.h>

<float.h>

<inttypes.h>

<limits.h>

<locale.h>

<math.h>

<setjmp.h>

<signal.h>

<stdarg.h>

<stdbool.h>

<stdint.h>

Πρότυπες Βιβλιοθήκες C


<stddef.h>

<stdio.h>

<stdlib.h>

<string.h>

<tgmath.h>

<time.h>

<wchar.h>

<wctype.h>

C POSIX library header files

<cpio.h><dirent.h> Allows the opening and listing of directories.<fcntl.h> File opening, locking and other operations.<grp.h> User group information and control.<pwd.h> passwd (user information) access and control.<sys/ipc.h> Inter-process communication (IPC).<sys/msg.h> POSIX message queues.<sys/sem.h> POSIX semaphores.<sys/stat.h> File information (stat et al).<sys/time.h> Time and date functions and structures.<sys/types.h> Various data types used elsewhere.<sys/utsname.h> uname and related structures.<sys/wait.h> Status of terminated child processes (see wait)<tar.h><termios.h> Allows terminal I/O interfaces.<unistd.h> Various essential POSIX functions and constants.<utime.h> inode access and modification times.

$ man man

Sections

Man pages are grouped into sections.

Section 1 user commands

Section 2 system calls

Section 3 library functions

Section 4 special files

Section 5 file formats

Section 6 games

Section 7 conventions and miscellany

Section 8 administration and privileged commands

Section L math library functions

Section N tcl functions

Πληροφορίες για κλήσεις συστήματος (1)


GNU C Library

Introduction: Purpose of the GNU C Library. Error Reporting: How library functions report errors. Memory: Allocating virtual memory and controlling paging. Character Handling: Character testing and conversion functions. String and Array Utilities: Utilities for copying and comparing strings and arrays. Character Set Handling: Support for extended character sets. Locales: The country and language can affect the behavior of library functions. Message Translation: How to make the program speak the user's language. Searching and Sorting: General searching and sorting functions. Pattern Matching: Matching shell ``globs'' and regular expressions. I/O Overview: Introduction to the I/O facilities. I/O on Streams: High-level, portable I/O facilities. Low-Level I/O: Low-level, less portable I/O. File System Interface: Functions for manipulating files. Pipes and FIFOs: A simple interprocess communication mechanism. Sockets: A more complicated IPC mechanism, with networking support.


http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Introduction.html#Introduction

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Error-Reporting.html#Error-Reporting

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Memory.html#Memory

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Character-Handling.html#Character-Handling

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/String-and-Array-Utilities.html#String-and-Array-Utilities

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Character-Set-Handling.html#Character-Set-Handling

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Locales.html#Locales

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Message-Translation.html#Message-Translation

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Searching-and-Sorting.html#Searching-and-Sorting

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Pattern-Matching.html#Pattern-Matching

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/I_002fO-Overview.html#I_002fO-Overview

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/I_002fO-on-Streams.html#I_002fO-on-Streams

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Low_002dLevel-I_002fO.html#Low_002dLevel-I_002fO

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/File-System-Interface.html#File-System-Interface

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Pipes-and-FIFOs.html#Pipes-and-FIFOs

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Sockets.html#Sockets



Low-Level Terminal Interface: How to change the characteristics of a terminal device. Syslog: System logging and messaging. Mathematics: Math functions, useful constants, random numbers. Arithmetic: Low level arithmetic functions. Date and Time: Functions for getting the date and time and formatting them nicely. Resource Usage And Limitation: Functions for examining resource usage and getting and setting limits. Non-Local Exits: Jumping out of nested function calls. Signal Handling: How to send, block, and handle signals. Program Basics: Writing the beginning and end of your program. Processes: How to create processes and run other programs. Job Control: All about process groups and sessions. Name Service Switch: Accessing system databases. Users and Groups: How users are identified and classified. System Management: Controlling the system and getting information about it. System Configuration: Parameters describing operating system limits. Cryptographic Functions: DES encryption and password handling. Debugging Support: Functions to help debugging applications.

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Low_002dLevel-Terminal-Interface.html#Low_002dLevel-Terminal-Interface

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Syslog.html#Syslog

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Mathematics.html#Mathematics

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Arithmetic.html#Arithmetic

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Date-and-Time.html#Date-and-Time

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Resource-Usage-And-Limitation.html#Resource-Usage-And-Limitation

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Non_002dLocal-Exits.html#Non_002dLocal-Exits

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Signal-Handling.html#Signal-Handling

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Program-Basics.html#Program-Basics

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Processes.html#Processes

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Job-Control.html#Job-Control

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Name-Service-Switch.html#Name-Service-Switch

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Users-and-Groups.html#Users-and-Groups

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/System-Management.html#System-Management

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/System-Configuration.html#System-Configuration

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Cryptographic-Functions.html#Cryptographic-Functions

http://www.it.uom.gr/teaching/gcc_manuals/libc/Debugging-Support.html#Debugging-Support

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>main() { int pid, status; printf("Forking process\n"); pid = fork();

wait(&status); printf("The process id is %d \n", getpid()); printf("value of pid is %d\n", pid); if (pid == 0) printf("I am the child, status is %d\n", status); else printf("I am the parent, status is %d\n", status); execl("/bin/ls","/bin/ls","l", NULL);

printf("This line is not printed\n");}

Παράδειγμα κλήσεων συστήματος (1)

#include <stdio.h>#include <unistd.h>

int main(void) { char command[80]; int pid, status;

for(;;) { printf("my_shell: "); if(fgets(command, sizeof(command), stdin) == NULL) { printf("\n"); return 0; } command[strlen(command) 1] = '\0'; if((pid = fork()) == 0) execlp(command, command, 0);

while(wait(&status) != pid) continue; printf("\n"); }}

Παράδειγμα κλήσεων συστήματος (2)

Shell, Shell Scripting, Windows API


http://microsoft.msdn.comMSDN > MSDN Library > Win32 and COM developmentAdiministration and Management > PowerShellDevelopment Guides > Windows API

http://technet.microsoft.comLibrary > Scripts and Scripting Guidance

MS-DOS Batch Fileshttp://home7.inet.tele.dk/batfiles/batfiles.htmhttp://www.ericphelps.com/batch/http://www.ericphelps.com/scripting/index.htm

Φορητές γλώσσες σεναρίων: Perl, Python (JavaScript)Ποιό όμοια από όσο νομίζουμε..

http://technet.microsoft.com/

http://home7.inet.tele.dk/batfiles/batfiles.htm

http://www.ericphelps.com/batch/

http://www.ericphelps.com/scripting/index.htm


Το Φάσμα των Υπολογιστών

Το φάσμα των σύγχρονων υπολογιστών, ενδεικτικές τιμές και τυπικές εφαρμογές τους.

Τύποι Λειτουργικών Συστημάτων με βάση τις απαιτήσεις

• ΛΣ mainframes

• ΛΣ διακομιστών

• ΛΣ προσωπικών υπολογιστών

• ΛΣ παράλληλων συστημάτων

• ΛΣ κατανεμημένων συστημάτων

• ΛΣ συστημάτων πραγματικού χρόνου

• ΛΣ παιχνδιών και πολυμέσων

• ΛΣ κινητών, PDAs ...

• ΛΣ ενσωματωμένων συστημάτων

• ΛΣ μικροελεγκτών

• ΛΣ συστημάτων αισθητήρων

• ΛΣ έξυπνων καρτώνTanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. 0-13-6006639


Δομή Λειτουργικών Συστημάτωνμε βάση την αρχιτεκτονική

Μονολιθικά συστήματα Πολυεπίπεδα συστήματα Συστήματα Μικροπυρήνα Συστήματα Πελάτη – Διακομιστή Κατανεμημένα συστήματα Παράλληλα συστήματα Εικονικές μηχανές Πολυμεσικά συστήματα

Ένα κύριο πρόγραμμα καλεί την ρουτίνα εξυπηρέτησης που απαιτείται.

Οι κλήσεις συστήματος εκτελούνται μέσω ενός συνόλου ρουτινών εξυπηρέτησης.

Ένα σύνολο βοηθητικών ρουτινών υποστηρίζουν τις ρουτίνες εξυπηρέτησης.

Πρόκειται για μια συλλογή από διαδικασίες, κάθε μια από τις οποίες μπορεί να καλέσει οποιαδήποτε άλλη, όταν τη χρειαστεί. Κάθε διαδικασία είναι ορατή σε οποιαδήποτε άλλη.

Η επικοινωνία μεταξύ των διαδικασιών γίνεται με πέρασμα παραμέτρων (ορισμάτων).

Παραδείγματα μονολιθικών λ.σ : OS/360, VMS, Linux

Μονολιθικά Συστήματα (1)




Το πρόγραμμα του χρήστη δημιουργεί μια κλήση συστήματος που προκαλεί μια διακοπή λογισμικού (trap), μια ειδική εντολή η κλήση πυρήνα – kernel call.

Το λ.σ. (main procedure) προσδιορίζει τον αριθμό εξυπηρέτησης (παράμετρο) που ζητήθηκε.

Το λ.σ. εντοπίζει και καλεί τη διαδικασία εξυπηρέτησης (service routine).

Aυτή μπορεί να καλέσει με τη σειρά της βοηθητικές ρουτίνες (utility routines).

Ο έλεγχος επιστρέφεται στο πρόγραμμα του χρήστη μετά την ολοκλήρωση της κλήσης συστήματος.


Απλή δομή μονολιθικού λ.σ.


Συστατικά τυπικού πυρήνα (kernel)

• Δρομολογητής διεργασιών (process scheduler)

• Διαχειριστής μνήμης (memory manager)

• Διαχειριστής συσκευών Ε/Ε (I/O manager)

• Διαχειριστής διαδιεργασιακής επικοινωνίας (interprocessor comunication (IPC) manager)

• Διαχειριστής συστήματος αρχείων (file system manager)


Πολυεπίπεδα Συστήματα (1)

Η πολυεπίπεδη (στρωματοποιημένη) αρχιτεκτονική προσπαθεί να βελτιώσει το σχεδιασμό των μονολιθικών πυρήνων ομαδοποιώντας συστατικά που υλοποιούν παρόμοιες λειτουργίες σε επίπεδα (στρώματα).

Κάθε επίπεδο επικοινωνεί μόνον με τα γειτονικά του (επάνω και κάτω).

Οι αιτήσεις των διεργασιών διαπερνούν αρκετά επίπεδα πριν ολοκληρωθούν.

Η ρυθμοαπόδοση (throughput) μπορεί να είναι μικρότερη από τα μονολιθικά λ.σ.

Απαιτούνται επιπλέον μέθοδοι για τη μεταβίβαση και τον έλεγχο των δεδομένων.

Τα επίπεδα είναι σχετικά εύκολο να διαχωριστούν λογικά αλλά όχι φυσικά (υλοποίηση).

Δομή του λ.σ. THE .



• 0 : Επίπεδο Αρχιτεκτονικής Συνόλου Εντολών (διακοπές, γλώσσα )μηχανής, άμεση επικοινωνία με το υλικό)-----------------------------------------------------------------------------------------------------• 1: ∆ιαχείρηση στοιχειωδών διεργασιών (παροχή εντολών όπως suspend, resume, wait, signal) και υλοποίηση θεματικής εναλλαγής. • 2: ∆ιαχείρηση περιφερειακών συσκευών (π.χ. διάβασμα από ή γράψιμο σε δίσκο). • 3: Εικονική (Iδεατή) μνήμη (υποστήριξη λογικών διευθύνσεων μνήμης).----------------------------------------------------------------------------------------------------- • 4: Διαδιεργασιακή επικοινωνία (pipes). • 5: ∆ιαχείρηση αρχείων (create, open, write) στο επίπεδο του χρήστη (π.χ. μέσα από το ρεπερτόριο εντολών μίας γλώσσας προγραμματισμού). • 6: ∆ιαχείρηση περιφερειακών συσκευών και παροχή ομοιογενών μηχανισμών πρόσβασης του χρήστη σε όλα τα είδη τους, έστω και αν αυτά παρουσιάζουν μεταξύ τους σημαντικές διαφορές στη λειτουργία τους. • 7: Kατάλογοι σε επίπεδο χρήστη (mkdir, rmdir). • 8: ∆ιαχείρηση διεργασιών σε επίπεδο χρήστη (quit, kill, at). • 9: Προγραμματισμός συστήματος με κατάλληλες γλώσσες (όπως ο φλοιός ή κέλυφος του Unix).

Λογικά Επίπεδα - Αρθρώματα (Modules)


Συστήματα μικροπυρήνα (1)Σε ένα μονολιθικό λ.σ. ο πυρήνας περιλαμβάνει τη δρομολόγηση, το σύστημα αρχείων, τη δικτύωση, τους οδηγούς συσκευής, τη διαχείριση μνήμης κ.α.

Υλοποιείται ως μια μοναδική διεργασία και όλα τα στοιχεία διαμοιράζονται τον ίδιο χώρο διευθύνσεων.

Ένα λ.σ. μικροπυρήνα αναθέτει λίγες λειτουργίες στον καθ' αυτό πυρήνα (που εκτελείται σε kerner mode) και τις υπόλοιπες τις αναθέτει σε διακομιστές ή εξυπηρετητές (servers) που εκτελούνται σε κατάσταση χρήστη (user mode).

Η διεργασία του χρήστη – διεργασία πελάτης (client process) στέλνει την αίτηση σε διεργασία διακομιστή (server process) η οποία εκτελεί τις απαραίτητες λειτουργίες επιστρέφει την απάντηση. Οι λειτουργίες μπορεί να απαιτούν αιτήσεις προς άλλες διεργασίες (π.χ. drivers).

Ο πυρήνας διαχειρίζεται την επικοινωνία μεταξύ clients και servers μέσω μυνημάτων.

Δομή του λ.σ. MINIX 3.

Συστήματα μικροπυρήνα (2)




Το σχήμα του μικροπυρήνα που ουσιαστικά μεταβιβάζει μηνύματα και δρομολογεί clients και servers δεν είναι απόλυτα ρεαλιστικό.

Κάποιες λειτουργίες είναι δύσκολο, ακόμη και ακατόρθωτο να πραγματοποιηθούν σε user mode. Τυπικό παράδειγμα οι λειτουργίες E/E που απαιτούν πλήρη πρόσβαση σε συσκευές Ε/Ε.

Τρόποι επίλυσης :

* Οι κρίσιμες διεργασίες (I/O drivers, οδηγοί Ε/Ε) εκτελούνται σε kernel mode με πλήρη πρόσβαση στο υλικό, αλλά συνεχίζουν να επικοινωνούν με άλλες διεργασίες σε user mode.

* Ο μικροπυρήνας προστατεύει τις συσκευές Ε/Ε ελέγχοντας τις άδειες πρόσβασης διεργασιών και τον ανταγωνισμό για κατάληψη πόρων, αλλά δεν είναι υπεύθυνος για τη προστασία των δεδομένων.



ΕπεκτασιμότηταΕπιτρέπει την προσθαφαίρεση υπηρεσιών και χαρακτηριστικών.

ΜεταφερσιμότηταΟι αλλαγές που απαιτούνται για τη μεταφορά του συστήματος σε

νέο επεξεργαστή γίνονται στον μικροπυρήνα και όχι στις άλλες υπηρεσίες.

Αντικειμενοστραφές λ.σ.Τα συστατικά του λ.σ. είναι αντικείμενα με σαφώς καθορισμένες

διεπαφές που μπορούν να διασυνδεθούν.Αξιοπιστία

Αρθρωτός (modular) σχεδιασμός. Ο μικρού μεγέθους μικροπυρήνας μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια.

Σύστημα μικροπυρήνα και Μοντέλο Πελάτη – Διακομιστή

Το σύστημα μικροπυρήνα ως μοντέλο πελάτη-διακομιστή.

Το μοντέλο πελάτη-διακομοστή σε κατανεμημένο σύστημα.

Κατανεμηνένα Συστήματα και Μοντέλο Πελάτη-Διακομιστή


Μοντέλο Πελάτη – Διακομιστή (1) Το μοντέλο Πελάτη – Διακομιστή έχει γενικότερη εφαρμογή, πέρα από την αρχιτεκτονική λ.σ. Μικροπυρήνα.

Τα περισσότερα λ.σ. είναι δομημένα με τη λογική των υπηρεσιών-servers (services ή daemons) που εκτελούνται στο παρασκήνιο (background) και αναμένουν αιτήσεις (κλήσεις) από διεργασίες – clients, που μπορεί να είναι προγράμματα χρηστών ή άλλες διεργασίες που δημιουργούνται από το λ.σ. για την εξυπηρέτηση αιτημάτων προγραμμάτων χρηστών.

Το μοντέλο Πελάτη – Διακομιστή επεκτείνεται φυσιολογικά στα δίκτυα και στο Διαδίκτυο, όπου η διεργασία διακομιστή βρίσκεται σε διαφορετικό σύστημα από τη διεργασία πελάτη και η αίτηση εξυπηρέτησης όπως και το αποτέλεσμα της κλήσης μεταβιβάζονται μέσω του δικτύου.

Π.χ. web browser = client, web site = web server.

Αντίστοιχα: mail server, ftp server, print server, telnet/ssh server.


Μοντέλο Πελάτη – Διακομιστή (2)


Κατανεμημένα Συστήματα (1)

Κατανέμουν τις διάφορες λειτουργίες σε διαφορετικούς υπολογιστές, συνεδεδεμένους μέσω δικτύου.

Συστήματα βασισμένα σε τερματικά (terminals)

Ο χρήστης έχει 'έξυπνο' τερματικό. Απομακρυσμένη σύνδεση και μεταφορά δεδομένων σε απομακρυσμένο υπολογιστή (server), όπου γίνεται και η βασική επεξεργασία, ενώ τοπικά γίνεται κυρίως η παρουσίαση. Ουσιαστικά πολυχρηστικά συστήματα.

Δίκτυα βασισμένα σε PC's (τυπικό client-server)

O χρήστης έχει προσωπικό υπολογιστή. Η επεξεργασία είναι κυρίως τοπική, τα δεδομένα να μεταφέρονται από / προς ειδικούς servers, κυρίως κατά τις λειτοουργίες φόρτωσης, ενημέρωσης και αποθήκευσης. Επεξεργασία συναλλαγών (βάσεις δεδομένων).


Κατανεμημένα Συστήματα (2)

Δικτυακά συστήματα (γενικευμένο client-server)

Ο χρήστης έχει ισχυρό σταθμό εργασίας. Ο ίδιος υπολογιστής μπορεί να είναι client ή server ανάλογα με τη διαδικασία. Η επεξεργασία είναι τοπική (client-side) ή / και απομακρυσμένη (server-side), τα δεδομένα μεταφέρονται από / προς ή προσπελαύνονται απευθείας σε εξειδικευμένους servers. Παράδειγμα: 3-tier κατανεμημένα συστήματα (client, web server, dbms server), peer-to-peer.

Δικτυοκεντρικά συστήματα (net computing)

Ο χρήστης έχει δικτυακό υπολογιστή / πελάτη. Η αποθήκευση των δεδομένων, η παρουσίαση, η επεξεργασία γίνονται μέσω αιτήσεων σε διαφορετικούς servers, διαφανώς για το χρήστη. Παράδειγμα: web services, grid computing, cloud computing, softare as service.


Κατανεμημένα Συστήματα (3)Πλεονεκτήματα

Διαμοίραση πόρων Αύξηση της ταχύτητας υπολογισμού / throughputΑξιοπιστίαΔυνατότητες επικοινωνίας

ΜειονεκτήματαΑσφάλεια και προστασία

Τα κατανεμημένα συστήματα αποκρύπτουν:τον τρόπο πρόσβασης σε έναν πόρο το τόπο όπου βρίσκεται κάποιος πόροςτη διαμοίραση πόρων από πολλούς χρήστες που

ανταγωνίζονται για τη χρήση τουςτη μετακίνηση ενός πόρου σε άλλο μέρος ενώ είναι σε χρήσητις διαφορές στην αναπαράσταση δεδομένων


Ενδιάμεσο Λογισμικό ή Διαλογισμικό (Middleware) -1

Ομοιογενές κατανεμημένο σύστημα


Ενδιάμεσο Λογισμικό ή Διαλογισμικό (Middleware) - 2

Ετερογενές κατανεμημένο σύστημα


Παράλληλα και Κατανεμημένα Συστήματα

Γενίκευση βασικών τύπων συστημάτων πολλαπλών επεξεργαστών:

Πολυ-επεξεργαστής, Πολυ-υπολογιστής, Κατανεμημένο Σύστημα


Παράλληλα Συστήματα (1)

Τύποι παράλληλων συστημάτων

(a) Μοντέλο Διαμοιραζόμενης Μνήμης (SMP's και Πολυπύρηνα)

(b) Μοντέλο Κατανεμημένης Μνήμης (Multicomputers)

(c) Μοντέλο Κατανεμημένης Μνήμης (Συστοιχίες)

Network

Παράλληλα Συστήματα (2)Συστήματα Διαμοιραζόμενης Μνήμης ή Πολυ-επεξεργαστέςSymmetric Multi-Processors (SMPs)Multi-Core SystemsΒασικά ζητήματα.Διαχείριση πολλαπλών επεξεργαστών (συντονισμός, εξισορρόπηση)Διαχείριση κρυφής μνήμης (συνέπεια και ακεραιότητα)Διαχείριση κοινής μνήμης (ακεραιότητα)

Συστήματα Κατανεμημένης Μνήμης ή Πολυ-υπολογιστέςMulti-ComputersΣυστοιχίες (Clusters) – Networks of WorkstationsΒασικά ζητήματαΔιαχείριση πολλαπλών πυρήνων/αντιγράφων λ.σ. (ενημέρωση)Διαχείριση πολλαπλών υπολογιστών (συντονισμός, εξισορρόπηση)Διαχείριση κατανεμημένης μνήμης (μεταβίβαση μηνυμάτων)Διαχείριση τοπικών συσκευών Ε/Ε (κατανεμημένα συστήματα)


Συστήματα Διαμοιραζόμενης Μνήμης (1)

Τύποι ιεραρχιών μνήμης:

(a) Μόνο διαμοιραζόμενη μνήμη

(b) Ιδιωτική cache και διαμοιραζόμενη μνήμη

(c) Ιδιωτική L1 cache, μερικά διαμοιραζόμενη L2 cache και

διαμοιραζόμενη μνήμη


Τύποι Λ.Σ. πολυεπεξεργαστών

Bus


Κατανεμημένη Μνήμη: Multicomputer

Επικοινωνία σε ένα multi-computer


Κατανεμημένη Μνήμη: Συστοιχία (Cluster)

Τυπικό cluster, δικτυακός multicomputer.

Τα επιμέρους συστήματα μπορεί να είναι και πολυ-επεξεργαστές.


Distributed - Shared Memory

Υλοποίηση διαμοιραζόμενης μνήμης σε διάφορα επίπδεα. (a) Υλικό (b) Λειτουργικό Σύστημα (c) Σύστημα Εκτέλεσης.

Δομή του VM/370 με CMS.

Εικονικές Μηχανές (1)


(a) Υπερεπόπτης τύπου 1 (b) Υπερεπόπτης τύπου 2

Εικονικές Μηχανές (2)



Πλεονεκτήματα / Μειονεκτήματα

Παρέχει πλήρη προστασία του συστήματος, καώς κάθε εικονική μηχανή είναι απομονωμένη από την άλλη και όλες από το σύστημα (sandbox).

Όμως η απομόνωση προκαλεί περιπλοκές στο διαμοιρασμό και επικοινωνία των συσκευών Ε/Ε και δικτύωσης (ο οδηγός του οδηγού..).

Επιπτρέπει τον πειραματισμό και την ανάπτυξη λ.σ. χωρίς να κινδυνεύει το σύστημά μας.

Επιτρέπει τη πολυπλεξία (διαμοιρασμό) συστημάτων σε ανώτερο επίπεδο: ο κάθε χρήστης θεωρεί οτι έχει ένα προσωπικό σύστημα (virtualization).

Επιτρέπει τη συνύπαρξη client-server σε ένα σύστημα (net-in-a-box). Απλοποίηση ανάπτυξης.

Έχει μεγάλες απαιτήσεις σε πόρους (CPU, μνήμη). Αλλά ταιριάζει στα σύγχρονα πολυ-πύρηνα συστήματα.


Εικονικές μηχανές και εφαρμογές

• System Virtual Machnies: επιτρέπουν εικονικές αρχιτεκτονικές ή/και εικονικά λ.σ. πάνω σε άλλα λ.σ.

VMWare, Quemu, VirtualBox, KVM

• Application Virtual Machines: επιτρέπουν την εκτέλεση οικογενειών εφαρμογών ανεξάρτητα από το λ.σ. ή την αρχιτεκτονική,

JVM

Δες Wikipedia στο λήμμα Virtual Machine


Java Virtual Machine (1)

• Μεταγλώττιση προγραμμάτων Java σε πλατφόρμα bytecode ανεξάρτητη από λειτουργικά συστήματα και αρχιτεκτονικές - Java Virtual Machine (JVM).

• Η JVM αποτελείται από

- class loader

- class verifier

- runtime interpreter• Μεταγλωττιστές Just-In-Time (JIT) αυξάνουν την

απόδοση.


Java Virtual Machine (2)


Αρχές σχεδιασμού Λ.Σ.

• Απόδοση

• Σταθερότητα

• Κλιμάκωση

• Επεκτασιμότητα

• Φορητότητα

• Ασφάλεια

• Ευχρηστία


Υλοποίηση Λ.Σ.

• Πολιτικές: ΤΙ πρέπει να γίνει.• Μηχανισμοί: ΠΩΣ αυτό θα υλοποιηθεί.

Ο διαχωρισμός πολιτικών από μηχανισμούς είναι πολύ σημαντικός, γιατί επιτρέπει εύκολη τροποποίηση.

Γλώσσα Μηχανής: Σίγουρα το system dependent part. Αποδοτική υλοποίηση αλλά δύσκολη επεκτασιμότηα, μικρή φορητότητα, αδυναμία χρήσης βιβλιοθηκών γλωσσών υψηλού επιπέδου (πχ γραφικά).

Γλώσσα Υψηλού Επιπέδου: Λιγότερο αποδοτική υλοποίηση, εύκολη επεκτασιμότητα, μεγάλη φορητότητα, μεγάλη ευχριστία. Συνήθως συνδυασμός των δύο προσεγγίσεων.


Εγκατάσταση και λειτουργία Λ.Σ.Το λ.σ. πρέπει να είναι 'γραμμένο' για τη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική

(system dependent part).

Πχ Linux ports για x86, x86-64, MIPS, PowePC, SPARC, Μ68000, ARM ..

Το αρχικό πρόγραμμα εγκατάστασης SYSGEN εκτελείται αρχικά και συλλέγει πληροφορίες για τη διαμόρφωση του συγκεκριμένου συστήματος. Αναγνωρίζει πχ την ύπαρξη άλλου λ.σ.

Στη συνέχεια διαμερίζει (partition) και διαμορφώνει (format) το δίσκο ή τμήμα του και εγκαθιστά το λ.σ.

Booting – εκκίνηση του εγκατεστημένου λ.σ. Πρόσφατα: Live-CD, USB-flash boot.

Bootstrap program – πρόγραμμα που βρίσκεται στη ROM και βρίσκει το Master Boot Record (MBR) ή το Boot Loader (πχ Grub, Lilo), ειδικό πρόγραμμα που κρατά λογαριασμό για τη θέση του πυρήνα (ή των πυρήνων) στο δίσκο.

Win32 Application Programming Interface

Το Win32 API επιτρέπει την ανάπτυξη εφαρμογών για διαφορετικές εκδόσεις των Windows

Αρχιτεκτονική Windows 2000

.


Αρχιτεκτονική Windows XP

Εξομοίωση MS-DOS

Εκτέλεση προγραμμάτων MS-DOS σε Windows

Γενική αρχιτεκτονική UNIX

The layers of a UNIX system.

UserInterface


Αρχιτεκτονική Linux

Πυρήνας UNIX


Πυρήνας Linux

Hardware

Hardware Control (Interrupts handling, etc)

File System Management

Buffer Cache

Device Drivers

ProcessMgt.

IPC

Scheduling

Memory Mgt.

System Call Interface

Libraries

User Programs User Programs Trap

User level

Kernel level

Εντολές/Υπηρεσίες Linux (1)

Εντολές φλοιού που καλούν υπηρεσίες και αν είναι απαραίτητο κλήσεις συστήματος.

Κατηγορίες:

• Εντολές διαχείρισης καταλόγων και αρχείων.

• Φίλτρα, ανακατεύθυνση, δίαυλοι.

• Διαχείριση διεργασιών σε επίπεδο χρήστη.

• Διαχείριση συστήματος.

• Συντάκτες και μεταγλωττιστές.

• Επεξεργασία κειμένου.

• ....


Μερικές βασικές εντολές/υπηρεσίες του Linux που απαιτούνται από το POSIX.

Εντολές/Υπηρεσίες Linux (2)


ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επισκόπηση Λ.Σ. · 2013. 1. 17. ·...

Documents

Transcript of ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επισκόπηση Λ.Σ. · 2013. 1. 17. ·...