introducere în sisteme de operare
TRANSCRIPT
Cursul 1
1Introducere în sisteme de operare
23 februarie 2010
23.02.2010 2
Cuprins
● Prezentare generală a cursului
● Ce este un sistem de operare?
● Istoria sistemelor de operare
● Clasificarea sistemelor de operare
● Concepte hardware de bază
● Concepte de bază în SO
● Componen a i structura unui SOț ș
23.02.2010 3
Echipa
● Andrei Piti , Octavian Purdilăș
● Răzvan Deaconescu, Lucian Grijincu, Lucian Cojocar, Andrei Faur, Daniel Baluţă, Laurenţiu Dascălu, Vlad Dogaru, Bogdan Druţu, Cătălin Moraru, Cristina Băsescu, Irina Maria Stănescu, Mihnea Muraru, Oana Baron
● Mult succes în noul semestru!
23.02.2010 4
Obiectivele cursului
● Make you a better engineer!
● Prezentarea mecanismelor puse la dispoziţie de SO moderne pentru dezvoltarea de aplica iiț– Procese şi thread-uri
– Comunicaţia între procese şi thread-uri
– Accesul la memorie; gestiunea memoriei
– Accesul la alte resurse puse la dispoziţie de SO moderne (fişiere, dispozitive de I/E)
23.02.2010 5
Obiectivele laboratorului
● Aplicarea conceptelor prezentate la curs
● Prezentarea i familiarizarea cu interfe ele de programare de ș țsistem (system API): POSIX & Win32
– lucrul cu fi iereș
– lucrul cu procese/thread-uri
– comunica ia între procese/thread-uriț
– gestiunea memoriei
– opera ii de I/Eț
23.02.2010 6
Reguli şi notare
● site-ul cursului: http://elf.cs.pub.ro/so
● listă de discuţii: http://cursuri.cs.pub.ro/liste/so
● curs – 5 puncte
– lucrare – 1.8 puncte (6 subiecte x 0.3 puncte) – 40 de minute
● săptămâna a 8-a la curs
● nu se reface
– final – 3.3 puncte (11 subiecte x 0.3 puncte) – 70 de minute
● Sesiune, acoperă întreaga materie
– minim 1.5 puncte
● activitate laborator
– nu are pondere in nota finală, dar este obligatorie prezenţa activă la cel puţin 8 laboratoare
23.02.2010 7
Reguli i notare (2)ș
● 5 teme x 2 (Linux, Windows) – 10 puncte
– primele 5 teme (în ordinea punctajului) vor fi punctate integral
– următoarele 5 teme vor fi punctate raportat cu nota de curs
– corectare cu teste publice
● depunctare teme
– -0.25p pe zi (din 10) timp de 12 zile
– după 12 zile nota maximă pentru o temă este 7
– deadline absolut: o săptămână înainte de examen
● punctajul de absolvire a cursului este 4.5
● o temă copiată -> punctaj 0 la toate temele
● după restan e tot punctajul se resetează la 0ț
23.02.2010 8
Legătura cu celelalte materii
● Prerequisites
– USO
– Programare, SD
– PLAS, CN
– PC, RL
● Materii ce depind de SO
– SO2, CPL
– ASC, APP, SPRC
23.02.2010 9
Where do we stand?
kernel space
user space
USO
SO
SO2
interfe e de programare țde sistem (system API)
interfe e de utilizareț
23.02.2010 10
Where do we stand? (programming)
application programming (EGC, SPG, PP, SPRC, IOC, etc.)
system programming (PC, SO, CPL)
kernel programming (SO2)
kernel space
user space
23.02.2010 11
Despre curs
● 12 cursuri
● interactiv
– participaţi la discuţii
– întrebaţi atunci când nu aţi înţeles
● destul de “dens”
● se recomandă călduros parcurgerea suportului bibliografic înainte i după cursș
● slide-urile nu sunt suficiente pentru a în elege materiaț
23.02.2010 12
Despre laborator
● POSIX/Win32 API programming (C/C++)
● 20 min prezentare / 80 minute lucru
● se punctează activitatea
● learn by doing
● se punctează exerci iile rezolvate în laboratorț
23.02.2010 13
Despre teme
● tema 1 – mini-shell
● tema 2 – sistem client-server cu IPC
● tema 3 – demand pager/swapper
● tema 4 – monitor generic
● tema 5 – server de fi iereș
23.02.2010 14
Despre teme (2)
● intense
● necesare: aprofundare API (laborator) i concepte (curs)ș
● estimare de timp: 8-20 ore pe temă
● teste publice
● suport de testare la submit - feedback imediat
23.02.2010 15
Relevanţă system programming
● Better programmer through intimate knowledge of how computers operate
● C, C++, C#, Java – doar limbaje de programare, operează cu acelasi concepte de multi-threading, I/O (async)
● Better jobs – better pay
23.02.2010 16
Bibliografie
● curs
– Galvin, Silberschatz, Gagne – Operating System Concepts, 7th Edition
– Andrew Tanenbaum - Modern Operating Systems, 2nd Edition
● laborator
– Robert Love – Linux System Programming
– Johnson Hart – Windows System Programming, 3rd Edition
23.02.2010 17
Bibliografie suplimentară
● Mathew, Stones - Beginning Linux Programming, 4th Edition
● Stephens, Rago – Advanced Programming in the Unix Environment, 2nd Edition
● Rector, Newcomer – Win32 Programming
● Charles Perzold – Programming Windows, 5th Edition
● John Levine – Linkers and Loaders
23.02.2010 18
Suport curs 1
● OSC
– Chapter 1: Introduction
– Chapter 2: Operating-System Structures
● MOS
– Chapter 1: Introduction
23.02.2010 19
Ce este un SO?
● Extensie a maşinii fizice (vedere top-down)
– abstractizează opera iile ma inii fizice în opera ii mai simple pentru u urin a ț ș ț ș țutilizării
– ex: accesul la fi iereș
● Gestionar al resurselor ma inii fizice (vedere bottom-up)ș– utilizatorii accesează resursele comune ale sistemului
– SO are rolul de multiplexare a accesului
– ex: gestiunea procesorului, a memoriei
23.02.2010 20
Ce este un SO? (2)
23.02.2010 21
Istoria sistemelor de operare
● dezvoltarea sistemelor de calcul i a sistemelor de operare s-au șinfluen at reciproc ț– dificultatea programării ma inilor a dus la adăugarea de facilită i în SO ș ț
– dificultă i ale implementării SO au dus la adăugarea de facilită i în hardware ț ț(memoria virtuală)
23.02.2010 22
Istoria sistemelor de operare (2)
● prima generaţie (1945 -1955)
– primele calculatoare digitale construite: relee electromecanice, tuburi
– programare se făcea manual, în limbaj ma inăș
– nu existau compilatoare sau asambloare
– nu existau sisteme de operare
23.02.2010 23
Istoria sistemelor de operare (3)
● generaţia a doua (1955 -1965)
● tranzistoare, mainframeuri
● apare conceptul de batch
● sisteme de operare: FMS, IBSYS
23.02.2010 24
First bug
● On September 9th, Grace Hopper recorded the first actual computer "bug" — a moth stuck between the relays and logged at 15:45 hours on the Harvard Mark II.
● Hopper, a rear admiral in the U.S. Navy, enjoyed successful careers in academia, business, and the military while making history in the computer field.
● She helped program the Harvard Mark I and II and developed the first compiler, A-0. Her subsequent work on programming languages led to COBOL, a language specified to operate on machines of different manufacturers.
23.02.2010 25
Istoria sistemelor de operare (4)
● genera ia a treia (1965 -1980) ț● circuite integrate
● apare conceptul de familie de calculatoare (IBM System/360): aceea i arhitectură i set de instruc iuni ș ș ț
● multiprogramare
– parti ionarea memoriei în mai multe segmenteț– cât timp un job a teaptă la I/O alt job se executăș
● spooling
– citirea joburilor de pe cartele perforate i păstrarea lor pe disc șpână la execu ie ț
23.02.2010 26
UNIX
23.02.2010 27
Istoria sistemelor de operare (5)
● genera ia a treia (1965 -1980) ț● multitasking (time-sharing)
– CTSS (Compatible Time Sharing System)
– MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) ● MIT, Bell Labs, General Electric
● lansat în 1960 are un succes comercial scăzut
● influen ă masivă asupra dezvoltării ulterioare ale SOț
– UNIX● o versiune mult redusă a MULTICS
● implementat de Ken Thompson
● portabil (scris în C)
● System V, BSD
23.02.2010 28
Istoria sistemelor de operare (6)
● generaţia a patra (1980 -prezent)
– microcalculatoare şi calculatoarele personale
– CP/M
● dezvoltat de Kidall pentru Intel 8080
– MS-DOS
● cumpărat de Microsoft de la Seattle Computer ($50, 000)
● oferit împreună cu BASIC pentru IBM PC
– Mac OS
● Steve Jobs “fură” ideea de GUI de la Xerox
– MS Windows: 3.11, 95, ..
● influenţat de Mac OS
23.02.2010 29
Istoria sistemelor de operare (7)
● Generaţia a patra (1980 -prezent)
– MS Windows NT, 2000, XP, Vista
● Scris de la zero, 32/64 biţi
● David Cutler (VAX VMS)
– Solaris, IRIX, HP-UX, ULTRIX
– Tru64
● primul sistem de operare pe 64 biţi (procesoare Alpha)
– Linux
● clonă UNIX
● scris de la zero de Linus Torvalds
– FreeBSD, OpenBSD, NetBSD
23.02.2010 30
Clasificare SO
● SO pentru servere
● SO pentru sisteme multiprocesor
● SO pentru calculatoare personale
● SO pentru sisteme embedded
● RTOS
23.02.2010 31
Concepte hardware de bază
● SO interactioneză cu hardware-ul la un nivel destul de scăzut
● sunt necesare cuno tin e despre hardware pentru a în elege ș ț țmodul de func ionare a sistemului de operareț
23.02.2010 32
Procesoarele
● Arhitecturi
– bandă asamblare (a)
– superscalar (b)
– VLIW/EPIC
● Arhitecturi
– RISC
– CISC
23.02.2010 33
Memoria
1 2 3cache~ MB ~ GB
CMOS DRAM
0,25-0,5 0,5-25 80-25020.000-100.000 5000-10.000 1000-5000
hardwarecache disc
NivelNume registre memorie principalăDimensiune 32/64/128 biţi
Tehnologie specializată CMOS SRAM(on-chip sau off-chip)
Timp de acces (ns)Lăţime de bandă (MB/s)Controlată de compilator sistemul de operareSusţinută de memoria principală
23.02.2010 34
Memoria cache
● Introdusă pentru a crea iluzia unei memorii ieftine, rapide i de șcapacitate mare
● Probleme de
– consistenţă: sisteme multitasking
– coerenţă: sisteme multiprocesor
● Tipuri de memorie cache
– cu mapare directă
– asociative total
– asociative pe mai multe căi
23.02.2010 35
Dispozitive de I/E
● în general sunt compuse din două păr i ț– un controller
– dispozitivul efectiv
● păr ile din SO care controlează dispozitivele de I/E se țnumesc device drivere
● lente: mouse, tastatura
– comunica ia între dispozitivele de I/E lente şi procesor se poate țface prin polling
● rapide: discuri, placa de re ea, placa video ț– pentru controlul acestor dispozitive se folosesc întreruperi i ș
controllere DMA
23.02.2010 36
Întreruperi
(a) activarea unui dispozitiv I/E i primirea unei întreruperiș
(b) tratarea unei întreruperi
23.02.2010 37
DMA
● folosit în cazul transferurilor mari de date între dispozitivul de I/E şi memorie
– procesorul programează transferul
– transferul este efectuat de un controller dedicat (DMA)
– la încheierea transferului, controller-ul DMA emite o întrerupere
23.02.2010 38
Magistrale
23.02.2010 39
Magistrale (2)
● Linii de
– adresă (determină spaţiul de adresă)
– date (împreună cu frecven a magistralei determină lă imea de bandă) ț ț
– control
● Lă imea de bandăț– numărul de linii de date x frecven a magistraleiț
23.02.2010 40
Concepte de bază
● procese, fire de execu ieț
● deadlock
● memorie virtuală
● sisteme de fi iereș
● interpretorul de comenzi
● nucleul sistemului de operare
● kernel mode vs user mode
● kernel space vs user space
● apeluri de sistem
23.02.2010 41
Procese
● un program în execu ieț
● are asociate mai multe resurse:
– un spa iu de adrese ț
– fi ierele deschise ș
– alte resurse (memorie partajată, socketi, etc)
● în general procesele sunt ierarhizate după rela ia părinte-copil ț
● SO oferă protec ie dar şi comunica ie interproceseț ț
23.02.2010 42
Fire de execu ieț
● un proces poate avea mai multe fire de execu ieț● firele de execuţie dintr-un proces partajează resursele
acestuia (memorie, fi iere deschise etc.)ș● fiecare fir de execu ie are un contextț
– context = informa ii despre starea thread-ului (stivă, registre țgenerale, registre speciale)
● avantaje / dezavantaje
– paralelism cu o comunica ie extrem de facilă i rapidăț ș– se pierde mai pu in timp când se face o schimbare de context ț– nu există protec ie între firele de execu ie ț ț
23.02.2010 43
Deadlock-uri
● deadlock poten ial (a) ț
● deadlock (b)
23.02.2010 44
Memorie virtuală
● adrese
– virtuale
– fizice
● MMU i SO fac translatarea șdin adrese virtuale în adrese fizice
23.02.2010 45
Fi iereș
● cale, director rădăcină, director de lucru
● descriptor de fi ier / handleș● fi iere speciale ș
– bloc
– caracter
– pipe-uri
– link-uri
● sistem de fi iere, opera ii de montare/demontareș ț– (a) înainte de montare
– (b) după montare
23.02.2010 46
Interpretorul de comenzi
● Programul de interfa ă între utilizator şi sistem ț
● Mod linie de comandă
– avantaje: flexibilitate, pu ine resurse consumate ț
– ex: sh , bash, korn
● Mod grafic
– avantaje: mai u or de utilizatș
– ex: explorer.exe în Windows
23.02.2010 47
Nucleul sistemului de operare
● Nucleul SO are acces direct la hardware
● Păr i din nucleu sunt permanent rezidente în memorie ț
● Imaginea nucleului
– Linux: /vmlinuz, /boot/vmlinuz
– Windows: %SystemRoot%\system32\ntoskrnl.exe
– Mac OS X: Mach 3.0 + *BSD
● module / drivere
23.02.2010 48
Kernel vs. User
● Nucleul rulează în mod privilegiat
– kernel mode
– kernel space
● Orice proces are un spa iu de adrese diferit ț
● Nucleul lucrează cu un spa iu de adrese diferit de cel al țproceselor
– user mode
– user space
23.02.2010 49
Apeluri de sistem
● Accesul la resursele sistemului se face prin apelarea serviciilor puse la dispozi ie de nucleuț
23.02.2010 50
Componente ale SO
● gestiunea proceselor
● gestiunea memoriei
● gestiunea fi ierelor ș
● gestiunea opera iilor de I/E ț
● gestiunea re elei ț
23.02.2010 51
Gestiunea proceselor
● crearea i terminarea proceselor ș
● suspendarea i repornirea proceselor ș– planificatorul de procese (scheduler)
● mecanisme de sincronizare
● mecanisme pentru comunica ie inter-procese ț
● detectare/rezolvare deadlock-uri
● protec ie ț
23.02.2010 52
Gestiunea memoriei
● gestiunea memoriei fizice i virtualeș– memorie virtuală, segmentare, paginare
– swaping
● gestiunea memoriei folosite de nucleu
– memorie rezidentă permanentă
– memorie rezidentă temporară
● gestiunea spa iilor de adrese ț– malloc/free, mmap
● protec ie ț
23.02.2010 53
Gestiunea fi ierelorș
● translatarea opera iilor de acces asupra fi ierelor (open, close, ț șread, write, seek) în opera ii de citire i scriere pe discț ș
● caching i read-aheadș
● compresie i criptareș
● protec ieț
23.02.2010 54
Gestiunea opera iilor de I/Eț
● interfa ă comună pentru device drivere ț
● caching, buffering
● întreruperi, DMA
● I/O scheduling
23.02.2010 55
Gestiunea re eleiț
● implementarea unor stive de protocol eficiente i sigure (secure)ș– implementare în kernel
● legături cu alte subsisteme ale SO: memorie, procese, scheduling, sisteme de fi iereș
23.02.2010 56
Structuri de SO
● SO monolitice
● SO microkernel
● Ma ini virtuale ș
● SO exokernel
● SO stratificate
23.02.2010 57
SO monolitice
● UNIX i derivatele, Windows ș
23.02.2010 58
Microkernel
● Minix, Amoeba
● QNX
● Mach
23.02.2010 59
Maşini virtuale
23.02.2010 60
Cuvinte cheie
● Sistem de operare (SO)
● Genera ii de SO/sisteme de țcalcul
● Unix
● Procesor
● Memorie
● Cache
● Întreruperi
● DMA
● Procese
● Fire de execu ieț
● Fi iereș
● kernel/nucleu
● Apel de sistem
● Monolitic, microkernel
● Ma ini virtualeș
23.02.2010 61
Intrebări
?