Datorarkitekturer med operativsystem ERIK LARSSON Översikt Inledning Inledning Inledning En processor eller central processing unit (CPU) är enheten som exekverar program i en dator En dator är en maskin som kan bearbeta data och utföra beräkningar. Datorn styrs av instruktioner från ett datorprogram, t ex Primärminne Instruktioner och data Fetch instruction Data/instruktioner Control Central processing unit (CPU) Execute instruction Ett operativsystem (Operating System - OS) är ett program som exekveras på datorn Mål för OS är: Hantera hårdvaruresurser i datorsystemet Erhålla tjänster för exekvering av applikationsprogram (t ex Facebook) I stort sett alla system har någon from av OS från mobiltelefoner, datorspel, till superdatorer.
Inledning Inledning För hårdvarufunktioner som in och utmatning (I/O) och minnesallokering fungerar OS som en mellanhand mellan applikationsprogram och datorns hårdvara Applikationsprogrammet exekverar normalt direkt på hårdvaran (datorn) men anropar frekvent OS eller avbryts av OS. OBS: ett OS är inte ett krav för att exekvera ett program. Visa datorspel körs direkt på hårdvaran. Exempel UNIX Windows Andra Unix Unix Ken Thompson och Dennis M. Ritchie Turingpriset( Nobelpris i datavetenskap ), 1983 För deras utveckling av generellt OS teori och speciellt för deras implementation av operativsystemet UNIX Ken Thompson utvecklade C vid Bell Labs och Go vid Google Inc (http://golang.org/#) - Go har konstruktioner för parallellprogrammering Dennis M. Ritchie utvecklade C vid Bell Labs
Linux Linus Benedict Torvalds, född 1969, Finland Ville lära sig om OS, skrev ihop ett OS Linus lag: Givet tillräckligt många beta-testare och medutvecklare, kommer i stort sett alla problem visa sig och bli rättade. Motivet är att problem och lösning är uppenbar för någon i gruppen. (Edsger W. Dijkstra: Programtest kan användas för att visa på existens av buggar, men inte för att visa att det INTE finns buggar) Microsoft! Linux Windows Windows MS-DOS (Microsoft Disk Operating System) (~1980) Målgrupp: Ensam användare på X86-arkitekturer utan nätverk Effekt: Låg säkerhet Windows 1.0 (1985) Windows 95, 98, 2000, XP, Vista, 7, 8 Bill Gates Paul Allen
Andra OS Vad gör ett OS? Digital Equipment Corporation (DEC): OpenVMS (Open Virtual Memory System Microsoft/IBM: OS/2 Enea: Enea OSE (Nokia: Symbian) Google: Android Processhantering Processhantering Hantera exekveringen av applikationsprogram är huvuduppgiften för ett OS Fetch Execute Fetch Execute Fetch Execute Ett program behöver resurser för att kunna exekvera Ett altenerar mellan CPU och I/O cykler För att maximera utnyttjandet av CPU, används multiprogramming (time sharing, multi-tasking) mer än ett program är aktivt. Fetch Execute Fetch Execute Fetch Execute Fetch Execute Tid för Facebook Tid för Musik Primärminne 0011 Data/instruktioner Control Central processing unit (CPU) 0011 Primärminne 0011 Byt program Data/instruktioner Control Central processing unit (CPU)
Processhantering Processhantering En processor flera program som exekverar..eller gör de? Nej! Men, en processor är väldigt snabb, så vi kan ge sken av parallellism. Antag att två program, t ex och körs ~0.1 sekund på varje program, dvs 100 000 000 klockcykler på varje program Fetch Execute Fetch Execute Fetch Execute 0.1 s 0.1 s 0.1 s Fetch Execute ~10 olika program kan exekveras per sekund Process model Process modell Två-tillståndsmodell (Running och Not Running) Schemaläggaren väljer en ny process från Not Running kön och låter den exekvera. Ett avbrott (till exempel, vid slut av time slice), leder till context switch och ett nytt program laddas New admitted Ready preemption Running Tre-tillståndsmodell (Running, Ready, Blocked) En nackdel med två tillstånd är att CPUn står idle vid I/O. Ett nytt tillstånd (Blocked) införs). I/O, event completion dispatch I/O, wait exit Fem-tillståndsmodell (Running, Ready, Blocked, Ready suspended, Blocked suspended) Waiting Terminated För hantering av virtuellt minne (flytta en process från primärminnet till sekundärminnet)
Schemaläggare Schemaläggare Långtidsschemaläggaren (Long-term scheduler) Bestämmer vilka jobb som ska läggas i readykön (queue) Mellantidsschemaläggaren (Mid-term scheduler) Bestämmer vilka jobb som ska vara i primärminnet (main) och vilka som ska vara i sekundärminnet Korttidsschemaläggaren (Short-term scheduler) Bestämmer vilket jobb som ska exekvera Algoritmer: First In First Out, Shortest Job First, Priority based scheduling, Round-robin scheduling, Multilevel Queue scheduling MS-DOS non multi-task system; hence, no scheduler Windows 3.1 - non-preemptive scheduler (did not interrupt programs) Windows NT, Linux, MacOS - multilevel feedback queue Vad gör ett OS? Kontextbyte (context switch) Process A Process B T I D Save state of A into PCBA Load state of B from PCBB A running Context switch B running Save state of B into PCBB Load state of A from PCBA Context switch A running
Processkontrollblock Processkontrollblock Process Control Block (PCB, eller Task Controlling Block eller Task Struct): är en datastruktur som innehåller den information som behövs för att kunna hantera en given process. Ett aktivt program har alltså ett process kontroll block Typiskt innehåll: Identifikation av process (a process identifier, or PID) Register värden, programräknare, stackpekare Adressrymd, prioritet, process information, t ex när användes processen senast, I/O som används, öppna filer Hemma: Du dammsuger Du blir avbruten av att telefonen ringer Efter samtalet vill du fortsätta städa där du var Datorn: Ett program exekverar När det avbryts, håller PCB koll på hur mycket som gjorts Programmet kan återstartas senare Avbrott Avbrott Endast ett program kan exekvera åt gången. Om OS vill byta program, hur göra det? Avbrott! Ett avbrott gör att processorn: Avbrott:» Sparar sitt tillstånd» Exekverar en avbrottshanteringsrutin Hårdvaruavbrott Programvaruavbrott För att få datorn att exekvera OS Klocka som genererar hårdvaruavbrott Applikationsprogram vill använda en känslig resurs» Systemanrop för att komma åt fil på hårddisk
Problem Problem Antag 10 likadana läsrum i biblioteket. För att få ett läsrum, frågar man i informationsdisken. Vid informationsdisken finns en variabel som räknas ned när någon ber om ett rum och räknas upp när någon lämnar ett rum. Om inget rum är ledigt bildas en kö. När två tåg möts i en korsning ska båda stanna och inget av tågen ska starta förrän det andra har åkt Fall som måste hanteras: Begär ett rum men glömmer att lämna tillbaka Lämnar tillbaka ett rum som aldrig var lånat Håller ett rum en lång tid utan att behöva det, eller Använder ett rum utan att ha fått rummet Problem Fem tysta filosofer sitter vid ett bord med fem gafflar och äter eller tänker. När de äter behövs två gafflar och bara gafflar brevid varje filosof får användas. Problem Dödlig låsning (Deadlock) till exempel: varje filosof tar sin vänstra gaffel och väntar sedan på sin högra Lag i Kansas Dödliglåsning (Deadlock) Process A och B behöver a och b för att exekvera. Process A håller a och väntar på b och process B håller b och väntar på a Utsvältning (Starvation) En process med låg prioritet blir aldrig exekverad. Process A och B behöver a. Process A har högre prioritet så när A släpper a, kommer A ta tillbaka a. B får aldrig resursen a Andra problem Cigarette smokers problem Readers-writers problem Sleeping barber problem Producers-consumers problem
Semaforer Edsger Dijkstra: Två operationer: V står för verhogen ("increase ) function V(semaphore S, integer I): [S S + I] P står för the portmanteau prolaag, som är förkortning av probeer te verlagen, bokstavligen försöka att minska function P(semaphore S, integer I): repeat: [if S >= I: S S I break] P och V måste vara atomära (atomic) (test-and-set eller turn of interrupt) Vad gör ett OS? Minneshantering Minneshantering Vid multiprogrammering kommer flera olika program finnas i primärminnet. Kostar för mycket tid att flytta program till hårddisk vid kontext byte. T ex, två program ska exekveras samtidigt : Primärminne 0011 0011 Relocation Flytta program och placera dem på andra ställen i minnet. Kunna hantera minnesreferenser och adresser vid omflyttningar. Minneskydd (Memory protection) Processer ska inte kunna komma åt minnesarea som tilldelats andra processer utan lov Delning (Sharing) Ibland ska processer kunna dela information och därför komma åt samma delar av minnet
Vad gör ett OS? Filsystem Hur hålla ordning på alla bitar? Vanligtvis kan man inte adressera individuella bitar (för stor overhead). Filer och bibliotek (Files and directories) Exampel: File Allocation Table (FAT), New Technology File System (NTFS) Mål: Kunna lagra stora filer, nå data snabbt (utnyttja hårddisk maximalt) Filsystem - Inode Filsystem - Inode Varje fil i Unix har en Inode Example: 12 pekare som pekar direkt på block med filens data (direct pointers) 1 indirekt pekare (en pekare till ett block av pekare) 1 dubbel indirekt pekare (en pekare som pekar på ett block av pekare som i sin tur pekar på ett block av pekare som perkar på filens data) 1 trippel indirekt pekare (som dubble indirekt pekare men med ytterligare en nivå)
Vad gör ett OS? Drivrutiner Drivrutiner (device driver) är programvara som interagerar med hårdvaran, t ex: Skrivare, video adapters, nätverkskort, ljudkort, möss, pekare, tangentbord, USB, lagring som hårddisk, CD- ROM, DVD. Hur tillåta applikationsprogram interagera med hårdvaran? Kernel Kernel Kärnan (kernel) är OSs viktigaste del. Kärnan fungerar som interface mellan applikationsprogram och hårdvaran. Microkernel eller monolithic kernel (Tanenbaum Torvalds debate) Ringar (Rings) är hårdvarustöd för att ge skydd Typiskt med två moder user-mode and supervisor-mode Applikationsprogram gör systemanrop för att läsa på hårddisk (ger OS kontroll) MS-DOS endast supervisor-mode Windows, Linux supervisor och user mode
Vad gör ett OS? Nätverk Media (Communication media) Wired technologies» Twisted pair (telephone wire), coaxial cable (TV), optical fiber Wireless technologies» WLAN, Bluetooth Protokoll (Communications protocol) Ethernet (IEEE 802) Internet Protocol Suite (Transfer Control Protocol, is one of the core protocols of the Internet Protocol Suite (TCP/IP)) Säkerhet In och utmatning Microsoft vände sig mot ensam-användare utan nätverk säkerhet var inget problem UNIX vände sig mot fleranvändarsystem (multi-tasking) utvecklat på mer säkert sätt I/O är all kommunikation med omvärlden (utanför datorn) T ex tangentbord, skärm, diskar, skrivare
Sammanfattning Ett operativ system är ett program som underlättar exekveringen av applikationsprogram. Ett OS ansvarar för process management, avbrott, minneshantering, filsystem, drivrutiner, nätverk, säkerhet, I/O-hantering