Λειτουργικά Συστήµατα Ι 18/12/2002

Transcript

1 Βασικά για Λ.Σ., τι είναι και τι έργο επιτελούν, από τί αποτελούνται, Σύντοµη Ιστορία, οµή Λ.Σ., Κατηγορίες Λ.Σ. ιεργασίες και διαχείριση µνήµης ιαχείριση Αρχείων, διαχείριση Εισόδου/Εξόδου, Φλοιός Το Λ.Σ. MS-DOS, σύντοµη ιστορία, βασικά τµήµατα, εκκίνηση, αρχεία εκκίνησης, ο φλοιός, βασικές εντολές φλοιού, διεργασίες, προγράµµατα TSR, διαχείριση µνήµης, το σύστηµα αρχείων, είσοδος/έξοδος. Το Λ.Σ. Windows 2000, σύντοµη ιστορία, βασικά τµήµατα, εκκίνηση, αρχεία εκκίνησης, το σύστηµα παραθύρων, αντικείµενα-objects, γραµµή εντολών, διεργασίες, διαχείριση µνήµης, το σύστηµα αρχείων, FAT 32 και NTFS, το σύστηµα χρηστών. Σπύρος Καζαρλής Οι Η/Υ αποτελούνται από Υλικό (Hardware) και Λογισµικό (Software) Το Λογισµικό χωρίζεται σε Λογισµικό Συστήµατος και Λογισµικό Εφαρµογών χρήστη. Το Λ.Σ. είναι το βασικό κοµµάτι του Λογισµικού Συστήµατος που ελέγχει τους πόρους του Η/Υ, και παρέχει τη βάση για ανάπτυξη και εκτέλεση εφαρµογών ιάφορες Εφαρµογές Compilers, Interpreters, Editors Λειτουργικό Σύστηµα Γλώσσα Μηχανής Μικροπρογραµµατισµός Φυσικές Συσκευές - hardware Λογισµικό Εφαρµογών Λογισµικό Συστήµατος Σπύρος Καζαρλής 1

2 Παρέχει υψηλού επιπέδου interface για την διαχείριση του υλικού (ιδεατή µηχανή) ιαχειρίζεται τους πόρους του συστήµατος (µνήµη, cpu, περιφερειακά), αποφεύγοντας συγκρούσεις και σφάλµατα, δίνοντας κατά το δυνατό ίσες ευκαιρίες στους χρήστες για χρήση του συστήµατος Φροντίζει για την καλή απόδοση του συστήµατος Φροντίζει για την ασφάλεια του συστήµατος (εσφαλµένες διαγραφές/επικαλύψεις µνήµης, αρχείων, ρουτινών, ασφάλεια συσκευών, µη εξουσιοδοτηµένες προσβάσεις) ιαχειρίζεται τα αρχεία στις µονάδες αποθήκευσης µέσω ενός συστήµατος αρχείων που παρέχει δοµηµένη, ασφαλή και γρήγορη εγγραφή και ανάγνωση δεδοµένων. Παρέχει µία σειρά προγραµµάτων για διαχείριση του συστήµατος Αποτελείται από τον πυρήνα (kernel) και το κέλυφος (shell) Πρώτος Η/Υ η αναλυτική µηχανή του C. Babbage, 1850, που δούλευε µηχανικά µε γρανάζια και δεν είχε Λ.Σ. Πρώτη Γενιά ( ). Πρώτοι Η/Υ µε λυχνίες κενού. Μεγάλο µέγεθος και απαιτήσεις ισχύος. Γλώσσα µηχανής και καλωδιώσεις. Αρχές του 50 εισάγονται συστήµατα εισαγωγής προγραµµάτων και δεδοµένων µε διάτρητες κάρτες. εύτερη Γενιά ( ). Κατασκευή Η/Υ µε τρανζίστορ. Κάρτες ταινίες εκτυπώσεις χειροκίνητα. Προγραµµατισµός σε συµβολική γλώσσα (assembly) ή FORTRAN. Μηχανές ΙΒΜ 1401 και Σύστηµα µαζικής επεξεργασίας (batch processing system). Αυτόµατη µεταφορά κάρτες-ταινίες και ταινίες-εκτυπωτής. Οι πρόγονος των Λ.Σ. : συστήµατα FMS (FORTRAN monitoring system και IBSYS (Λ.Σ. Της IBM για τον 7094) Σπύρος Καζαρλής 2

3 Τρίτη Γενιά ( ). Κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων IC. Οικογένεια 360 της IBM. Αργότερα 370, 4300, 3080, Λ.Σ. OS/360 εκατοµµύρια γραµµές κώδικα, πολλά λάθη. Πολυπρογραµµατισµός (multiprogramming) Εργασία 1 Εργασία 2 Εργασία 3 Λ.Σύστηµα Τµήµατα µνήµης Ετεροχρονισµός (SPOOLing-Simultaneous Peripheral Operation On Line) για εισαγωγή διεργασιών από δίσκο και εκτύπωση αποτελεσµάτων Αργός χρόνος απόκρισης από την υποβολή του προγράµατος µέχρι την εκτύπωση αποτελεσµάτων (χρονοβόρα εκσφαλµάτωση) Καταµερισµός χρόνου (time sharing) παραλλαγή του πολυπρογρ/σµού Σύνδεση στον Η/Υ µέσω τερµατικών. Εξυπηρέτηση τερµατικών σε πραγµατικό χρόνο. Εκτέλεση χρονοβόρων διεργασιών στο παρασκήνιο Πρώτο σύστηµα timesharing CTSS (MIT 1962). Ακολούθησε το MULTICS (MULTIplexed Information and Computing Service) µε πρότυπο το σύστηµα διανοµής ενέργειας. Κατασκευή mini υπολογιστών (DEC PDP-1, 1961 µε 4k words των 18 bits) µε µαζικές πωλήσεις. Ο Ken Thomson, αρχίζει την συγγραφή σε PDP-7 µίας έκδοσης του MULTICS για ένα χρήστη που θα είναι ο πρόγονος του UNIX Τέταρτη Γενιά ( ). Ανάπτυξη των LSI και των προσωπικών Η/Υ. IBM PC και Workstations µε RISK. Μαζικές πωλήσεις και πολλές εφαρµογές. Ανάπτυξη δικτύων και NOS. Κατανεµηµένα Λ.Σ. Σπύρος Καζαρλής 3

4 ιεργασίες (processes) Εκτελούµενο πρόγραµµα ή τµήµα, µε δική του µνήµη, καταχωρητές και κατάσταση CPU, απαριθµητή προγ/τος και stack, ιεργασίες απόγονοι (child processes). Ελαφρές διεργασίες νήµατα (threads), τµήµατα διεργασιών µε κοινή µνήµη που τρέχουν ταυτόχρονα (concurrent). Χρονοπρογραµµατισµός διεργασιών (process scheduling) Μεταγωγή Περιβάλλοντος (Context Switching) Σηµατοφορείς (semaphores) Αδιέξοδα (deadlocks), πρόληψη, επανόρθωση. Εικονική µνήµη (virtual memory) ιαχείριση Εικονικής Μνήµης Αρχεία και συστήµατα αρχείων, διαχείριση αρχείων Είσοδος Έξοδος (I/O), συσκευές, διαχείριση I/O, ιακοπές-interrupts Πυρήνας (Kernel) αποτελείται από ρουτίνες, υλοποιεί την διαχείριση CPU, διεργασιών και µνήµης, interface µε το hardware Κέλυφος (Shell) είναι ένας διερµηνευτής εντολών χρήστη, interface µε το kernel Κατάσταση Πυρήνα (Protected/kernel/supervisor mode) Κατάσταση χρήστη (User mode) Κλήσεις Συστήµατος (System Calls), εκτελούνται σε protected mode, υλοποιούν βασικές λειτουργίες, καλούνται από προγράµµατα, (διεργασιών, αρχείων, συσκευών, πληροφοριών, επικοινωνιών) Οδηγοί συσκευών (Device drivers) Υπηρεσίες Services, communication services (ftp, web, telnet, DNS), print services (spooling), DDE, OLE, Event Log, Alerts, Task Scheduler Προγράµµατα Συστήµατος (System programs), ιαχείριση αρχείων, πληροφορίες κατάστασης, υποστήριξη γλωσσών προγρ/µού, φόρτωµα και εκτέλεση προγραµµάτων, επικοινωνίες, εφαρµογές) Σπύρος Καζαρλής 4

5 Ως προς την παραλληλότητα χρηστών - διεργασιών Single tasking single user MS DOS, CP/M Multi tasking single user Win 3.1, 95, 98, Multi tasking multi user UNIX, NT Server, W2000 Ως προς το υλικό που διαχειρίζονται Λ.Σ. Ενός επεξεργαστή single processor Λ.Σ. Πολλών επεξεργαστών multi processor Λ.Σ. ικτύων Network Operating Systems (NOS) Κατανεµηµένα Λ.Σ. distributed OS Μονολιθικά Συστήµατα Μία συλλογή από ρουτίνες πυρήνα που χειρίζονται το υλικό και τις κλήσεις του χρήστη, που η µία µπορεί να καλεί την άλλη χωίς καµµία δοµή. Στρωµατοποιηµένα συστήµατα (Σύστηµα THE, 1968, Dijsktra) ιαχειριστής Συστήµατος Προγράµµατα Χρηστών ιαχείριση Εισόδου/Εξόδου Επικοινωνία χρήστη-διεργασίας ιαχείριση µνήµης και δίσκου ιαχείριση CPU και πολυπρ/σµός Το MULTICS είχε διαστρωµάτωση σε οµόκεντρους δακτυλίους. Οι εσωτερικοί είχαν πιό πολά προνόµια από τους εξωτερικούς. Σπύρος Καζαρλής 5

6 Ιδεατές Μηχανές (virtual machines). Το σύστηµα VM/370 (1979) για τα IBM 360/370. Ελεγκτής ιδεατής µηχανής (virtual machine monitor). ηµιουργεί στα ανώτερα επίπεδα ιδεατά αντίγραφα της µηχανής (φλοιός, I/O, διακοπές, κ.λ.π.). Πλήρης διαχωρισµός του πολυπρογ/µού και του εκτεταµένου interface µε τον χρήστη Ιδεατή Μηχανή 370 Ιδεατή Μηχανή 370 Ιδεατή Μηχανή 370 VM/370 Virtual Machine Monitor Πραγµατικό υλικό του IBM/370 Οι ιδεατές µηχανές ήταν αντίγραφα της βασικής µηχανής και µπορούσαν να τρέχουν ακόµα και διαφορετικά Λ.Σ. Ο πολυπρογραµµατισµός ήταν υλοποιηµένος στο Virtual Machine Monitor Το µοντέλο Εξυπηρετούµενου-Εξυπηρετητή (Client-Server). Ανάγκη για µικρό πυρήνα και αποµάκρυνση των λειτουργιών από αυτόν. Ο πυρήνας µεταβιβάζει αιτήσεις από τους clients στους servers. ιαδικασίες Clients και Servers τρέχουν σε κατάσταση χρήστη. Client 1 Client 2 Server 1 Server 2 Πυρήνας (kernel) Client 1 πυρήνας Server 1 πυρήνας Client 2 πυρήνας ίκτυο Σπύρος Καζαρλής 6

7 Στόχοι σχεδίασης Λειτουργικών Συστηµάτων (ως προς τον χρήστη) Βολικά στη χρήση Εύκολα στην εκµάθηση Αξιόπιστα Ασφαλή Γρήγορα στην εκτέλεση Στόχοι σχεδίασης Λειτουργικών Συστηµάτων (ως προς το σύστηµα) Εύκολα στη σχεδίαση, υλοποίηση και συντήρηση Ευέλικτα, αξιόπιστα, χωρίς σφάλµατα και αποδοτικά Παραδοσικά γράφονταν σε assembly. Τώρα γράφονται σε γλώσσες υψηλού επιπέδου ( C++) Ταχύτητα ανάπτυξης, συµπαγή, ευκολία κατανόησης-διόρθωσης, µεταφορά σε διαφορετικές πλατφόρµες SYSGEN (ανακτά πληροφορίες για το hardware), BOOT-εκκίνηση µε φόρτωµα του πυρήνα, Πρόγραµµα BootStrap σε ROM για εύρεση / φόρτωµα του πυρήνα (kernel) Η διεργασία είναι η βασικότερη έννοια στα Λ.Σ. ιεργασία = πρόγραµµα σε εκτέλεση Στα συστήµατα πολυπρογραµµατισµού και καταµερισµού χρόνου µία διεργασία απασχολεί τη CPU κάθε φορά αλλά µε την συχνή τους εναλλαγή δίνουν την εντύπωση του ψευδοπαραλληλισµού Σε συστήµατα µε πολλές CPU υπάρχει πραγµατικός παραλληλισµός υλοποιούµενος µέσω hardware Το Λ.Σ. καλείται να χειριστεί παράλληλα πολλές διεργασίες αποφεύγοντας τα σφάλµατα. Όλο το λογισµικό που εκτελείται στον Η/Υ (Λ.Σ. και εφαρµογές χρηστών) ακολουθεί το µοντέλο των διεργασιών. Μοντέλο διεργασίας : πρόγραµµα ή τµήµα σε εκτέλεση + δείκτης εντολών + καταχωρητές CPU + κατάσταση CPU + χώρος µεταβλητών (stack και heap) Σπύρος Καζαρλής 7

8 A B Γ Εναλλαγή διεργασιών στη µνήµη Πολυπρογραµµατισµός 4 δείκτες εντολών προγράµµατος Α Καταµερισµός χρόνου Α Β Γ Α Β Γ Β Γ χρόνος Η εναλλαγή των διεργασιών δεν εγγυάται σταθερό ρυθµό εκτέλεσης του κώδικά τους. Οι διεργασίες δεν πρέπει να έχουν εξάρτηση από τον πραγµατικό χρόνο. ιεργασίες µπορούν να δηµιουργούνται και να καταστρέφονται. ιεργασίες µπορούν να δηµιουργούν άλλες διεργασίες (child processes) µε τις οποίες µοιράζονται κοινή µνήµη. 1 2 µνήµη 3 Στο UNIX η δηµιουργία διεργασίας γίνεται µε την κλήση συστήµατος FORK, που παράγει ακριβές αντίγραφο της γονικής διεργασίας. Γονική και απόγονος εκτελούνται ταυτόχρονα, και µοιράζονται κοινή µνήµη. Στο MS-DOS µε κλήση συστήµατος µία διεργασία µπορεί να εκτελέσει ένα άλλο εκτελέσιµο αρχείο (com ή exe). Η γονική αναστέλλεται. Σπύρος Καζαρλής 8

9 Ενδέχεται µία διεργασία να παίρνει ως είσοδο την έξοδο µίας άλλης. type text.txt more Η more πρέπει να ανασταλλεί έως ότου ολοκληρωθεί η type. Αναστολή διεργασίας µπορεί να προκληθεί και από το Λ.Σ. λόγω καταµερισµού χρόνου. Καταστάσεις ιεργασιών : Εκτελούµενη (running), χρησιµοποίεί την CPU Έτοιµη ή εκτελέσιµη (ready, runnable), περιµένει την σειρά της για εκτέλεση (δεν είναι διαθέσιµη η CPU) Υπό αναστολή (blocked) περιµένει µέχρι να λάβει χώρα κατάλληλο συµβάν. 1 Εκτελούµενη 3 Υπό αναστολή 2 4 Εκτελέσιµη Οι µεταβάσεις 2 και 3 εκτελούνται από τον χρονοπρογραµµατισµό. Η µετάβαση 1 συµβαίνει όταν η διεργασία περιµένει ολοκλήρωση συµβάντος. Η µετάβαση 4 συµβαίνει όταν ολοκληρωθεί το συµβάν. Σπύρος Καζαρλής 9

10 Για την διαχείριση των διεργασιών το Λ.Σ. κρατά στη µνήµη ένα Πίνακα ιεργασιών µε όλα τα στοιχεία κάθε διεργασίας. Η καταχώρηση στον πίνακα γίνεται όταν δηµιουργηθεί η διεργασία (καταχώρηση αρχικών στοιχείων) ή όταν η διεργασία µεταπίπτει από εκτελούµενη σε εκτελέσιµη, ώστε να συνεχίσει αργότερα. Καταχωρήσεις πεδίων γίνονται και κατά τις υπόλοιπες µεταβάσεις. Κατά την δηµιουργία διεργασίας γίνονται τα ακόλουθα : 1. ηµιουργείται εγγραφή στον πίνακα διεργασιών. 2. Τίθεται ως κατάσταση της διεργασίας η κατάσταση «εκτελέσιµη». 3. Αποθηκεύονται οι ταυτότητες χρήστη και οµάδας. 4. Καταχωρείται η ταυτότητα της γονικής διεργασία που την παρήγαγε. 5. Καταχωρείται η ταυτότητα της διεργασίας PID (αριθµός). 6. Καταχώρηση καταλόγου εκκίνησης και λειτουργικού καταλόγου. 7. Αρχικοποιούνται τα υπόλοιπα πεδία µε µηδενικές τιµές. Κατά την µετάβαση από εκτελέσιµη σε εκτελούµενη : 1. Ανάκτηση πληροφοριών για την συνέχιση της διεργασίας 2. Καταχώρηση χρόνου εκκίνησης (την πρώτη φορά) 3. Μεταβολή της κατάστασης διεργασίας σε «εκτελούµενη» Κατά την µετάβαση από εκτελούµενη σε εκτελέσιµη : 1. Αποθήκευση δείκτη εντολών προγράµµατος 2. Αποθήκευση κατάστασης CPU (καταχωρητές) 3. Αποθήκευση δυναµικής µνήµης και δείκτη stack 4. Αποθήκευση κατάστασης ανοικτών αρχείων 5. Αυξητική καταγραφή του χρόνου απασχόλησης της CPU. 6. Μεταβολή της κατάστασης διεργασίας σε «εκτελέσιµη» Σπύρος Καζαρλής 10

11 ιαχείριση διεργασιών Καταχωρητές είκτης εντολών Κατάσταση διεργασίας είκτης στοίβας Χρόνος εκκίνησης Χρόνος χρήσης CPU Ταυτότητα διεργασίας Ταυτότητα χρήστη Ταυτότητα οµάδας ιαχείριση µνήµης είκτης σε τµήµα µνήµης (data segment) είκτες σε τµήµατα δυναµικής µνήµης Γονική διεργασία ιαχείριση αρχείων Αρχικός Kατάλογος Λειτουργικός Κατάλογος Περιγραφείς αρχείων Race Conditions : όταν δύο διεργασίες επιχειρούν να χρησιµοποιήσουν τους ίδιους πόρους. Παράδειγµα : 1- HDD, 2(interrupt)-HDD. Αµοιβαίος αποκλεισµός (mutual exclusion). Όταν εκτελείται η µία δεν µπορεί να εκτελείται η άλλη. Οι διεργασίες σε συνθήκες ανταγωνισµού περιέχουν κρίσιµα τµήµατα (critical sections) που δεν µπορούν να εκτελούνται ταυτόχρονα. Παράδειγµα : 1 : x=x+1, 2 : x=x+2. Επιθυµητό αποτέλεσµα (x+3). Ανάλυση σε γλώσσα µηχανής : 1. Φόρτωσε τον Α µε x 2. Αύξησε τον Α κατά 1 (ή 2) 3. Αποθήκευσε τον Α στο x Μπορεί να προκύψει λάθος αποτέλεσµα π.χ. µε εκκίνηση της 2 όταν η 1 έχει εκτελέσει και το βήµα 2. Σπύρος Καζαρλής 11

12 ύο διεργασίες δεν βρίσκονται ποτέ µαζί στο κρίσιµο τµήµα τους. Όταν µία διεργασία δεν είναι στο κρίσιµο τµήµα της, δεν µπορεί να εµποδίσει άλλες να εισέλθουν στο δικό τους κρίσιµο τµήµα. Όταν πολλές διεργασίες επιχειρούν να εισέλθουν στο κρίσιµο τµήµα τους δεν µπορούν να περιµένουν επ άπειρον. ικαιοσύνη (fairness) στην επιλογή διεργασίας που θα εισέλθει στο κρίσιµο τµήµα της. εν επιτρέπονται υποθέσεις από τις διεργασίες για την ταχύτητα εκτέλεσής τους και για το πλήθος των επεξεργαστών. Οι παραπάνω αρχές διαφυλάσσουν το σύστηµα από αµοιβαία µπλοκαρίσµατα (mutual blocking) και αδιέξοδα (deadlocks) Απενεργοποίηση διακοπών (interrupts) επικύνδυνο για την ασφάλεια. Μεταβλητές κλειδώµατος κοινής χρήσης Πρόβληµα µε ταυτόχρονη πρόσβαση. Εντολή TSL (Test and Set Lock) που εκτελείται αδιαίρετα και µε κλείδωµα του διαύλου µνήµης, για έλεγχο σηµαιών (flags). Παρακολουθητές (monitors) οµές υψηλού επιπέδου σε γλώσσες προγρ/µού που ορίζουν µπλόκ συναρτήσεων που δεν µπορεί να εκτελεστούν ταυτόχρονα. Μεταβίβαση µηνυµάτων (message passing) µεταξύ διεργασιών SEND, RECEIVE, µε κλήσεις συστήµατος. Σηµατοφορείς (semaphores) Σπύρος Καζαρλής 12

13 Μεταβλητές του Λ.Σ. για τον έλεγχο διεργασιών µε τιµές 0 και 1. 0 σηµαίνει κατειληµµένος, 1 σηµαίνει ελέυθερος. Ο έλεγχος της τιµής και η µεταβολή της είναι ενέργειες αδιαίρετες και δεν µπορούν να διακοπούν, ατοµικές ενέργεις (atomic action). Λειτουργία DOWN (ή P) : Η διαδικασία περιµένει να ελευθερωθεί ο σηµατοφορέας (να γίνει 0) και τον αυξάνει κατά 1. while (s==0) { do_nothing }, s=s-1; Λειτουργία UP (ή V) : Η διαδικασία εξέρχεται από το κρίσιµο τµήµα της και ελευθερώνει τον σηµατοφορέα s=s+1; Το Λ.Σ. υλοποιεί µεγάλο αριθµό σηµατοφορέων για τους διάφορους πόρους του συστήµατος. Πολλές διεργασίες που αναµένουν έναν σηµατοφορέα καταχωρούνται σε λίστες αναµονής (waiting lists) που υλοποιούνται ως ουρές (queues) FIFO. Καταχωρητές (Registers) Λανθάνουσα µνήµη επιπέδου 1 (Level 1 cache) Ταχύτητα Κόστος Λανθάνουσα µνήµη επιπέδου 2 (Level 2 cache) Κύρια Μνήµη RAM (Main Memory) Χωρητικότητα Μαγνητικοί ίσκοι (Hard Disks) Οπτικοί ίσκοι (Optical Disks, CD, DVD) Μαγνητικές Ταινίες (Magn. Tapes) Σπύρος Καζαρλής 13

14 Η κύρια µνήµη είναι πόρος ζωτικής σηµασίας στους Υπολογιστές Μέγεθος 128MB 3GB για προσωπικούς υπολογιστές και σταθµούς εργασίας, δεκάδες GB για mainframes και υπερυπολογιστές. Νόµος του Parkinson : τα προγράµµατα τείνουν να καταλαµβάνουν όλη την µνήµη που τους είναι διαθέσιµη. ιαχειριστής Μνήµης Memory Manager. Καθήκοντα : 1. Παρακολουθεί ποιά τµήµατα είναι σε χρήση και ποιά όχι 2. Χορηγεί µνήµη σε διεργασίες όποτε την χρειάζονται. 3. Ελευθερώνει την µνήµη διεργασιών που τερµατίζουν και την επαναχορηγεί σε άλλες διεργασίες. 4. ιαχειρίζεται την εναλλαγή µεταξύ κύριας και δευτερεύουσας µνήµης (RAM HDD), memory swapping, Ιδεατή µνήµη (virtual memory). 5. Φροντίζει για την εξάλειψη του κατακερµατισµού της µνήµης. Στατική Κατανοµή µνήµης (static allocation) : Η µνήµη διαιρείται σε προκαθορισµένα τµήµατα για προγράµµατα και data από πριν. Παράδειγµα : 640Κ = 8K + 32K + 100K + 500K. ναµική Κατανοµή µνήµης (dynamic allocation) : Όταν εκτελούνται οι διεργασίες τους παραχωρείται ακριβώς όση µνήµη χρειάζονται. υναµική Επανατοποθέτηση (dynamic reallocation) : Μεταφορά ενός προγράµµατος σε άλλη περιοχή µνήµης. Εναλλαγή µνήµης (memory swapping) : µεταφορά τµηµάτων µνήµης προς και από τον δίσκο, για εξυπηρέτηση πολλών διεργασιών. Εκονική µνήµη (virtual memory) : χρήση χώρου εικονικών διευθύνσεων και αντιστοίχιση στις πραγµατικές από το Λ.Σ. Σελιδοποίηση (paging) : χωρισµός της µνήµης σε ίσα blocks και αναφορά διευθύνσεων µε αριθµό block και µετατόπιση. Κατάτµηση (segmentation) : χωρισµός της µνήµης σε άνισα µη συνεχόµενα τµήµατα, αναφορά µε αριθµό τµήµατος και µετατόπιση Σπύρος Καζαρλής 14

15 Μετατόπιση (Relocation) : όταν ένα πρόγραµµα φορτώνεται σε ένα τµήµα µνήµης π.χ. 100k-200k πρέπει όλες οι εντολές γλώσσας µηχανής που αφορούν διακλαδώσεις να µετασχηµατίζονται, Π.χ. JMP 100 > JMP 100k+100. OS/360-MFT. Προστασία (Protection) : δεν πρέπει ένα πρόγραµµα να απευθύνεται σε άλλα τµήµατα µνήµης, εκτός από εκείνα που του παραχωρούνται. Λύση µε κωδικούς προστασίας τµηµάτων PSW (program status word) και παγίδευση όλων των προσπελάσεων µνήµης. Λύση µε καταχωρητή βάσης (base register) και καταχωρητή ορίου (limit register). εν τροποποιούνται οι προσπελάσεις µνήµης στο πρόγραµµα. Όλες οι προσπελάσεις µνήµης ελέγχονται ως προς το όριο. Πλεονέκτηµα λόγω δυνατότητας µετατόπισης και αφού έχει ξεκινήσει το πρόγραµµα. Υλοποίηση στον IBM-PC µε καταχωρητή τµήµατος (segment register), αλλά όχι καταχωρητή ορίου. 1..Μ. που εναλλάσσουν τµήµατα µεταξύ κύριας και δευτερεύουσας µνήµης (memory swapping, paging) 2. Απλοί.Μ. χωρίς εναλλαγές τµηµάτων. Μονοπρογραµµατισµός χωρίς εναλλαγή και σελιδοποίηση : (α) (β) (γ) Πρόγραµµα χρήστη Λ.Σ. στη RAM Λ.Σ. στη ROM Πρόγραµµα χρήστη Οδηγοί συσκευών στη ROM - BIOS Πρόγραµµα χρήστη Λ.Σ. στη RAM Σπύρος Καζαρλής 15

16 Η µνήµη χωρίζεται σε ένα συγκεκριµένο αριθµό πιθανόν άνισων τµηµάτων (memory partitions ή segments) στατική κατανοµή. Οι διεργασίες περιµένουν σε ουρά εξυπηρέτησης. Το Λ.Σ. εξετάζει την ουρά και αναθέτει σε κάθε διεργασία το κατάλληλο τµήµα µνήµης. Χρησιµοποιήθηκε στο OS/360 για IBM System/360 ως MFT (Multiprogramming with Fixed umber of Tasks). Τµήµα Τµήµα 3 Τµήµα 2 Τµήµα 1 Λ.Σ. Η µνήµη παραχωρείται δυναµικά στις διεργασίες που γίνονται εκτελέσιµες ανάλογα µε τις απαιτήσεις τους. Όταν µία διεργασία τερµατίζει, ο χώρος µνήµης που κατελάµβανε απελευθερώνεται. ηµιουργείται κατακερµατισµός λόγω εµφάνισης οπών µνήµης. Γ Γ Γ Γ Γ Α Β Α Β Α Β Β Ε Λ.Σ. Λ.Σ. Λ.Σ. Λ.Σ. Λ.Σ. Λ.Σ. Λ.Σ. Σπύρος Καζαρλής 16

17 Στατική Κατανοµή µνήµης (static allocation) : Χρήση συµβατικού και οικονοµικού υλικού. Απλότητα στη διαχείριση µνήµης. Εύκολη προστασία του χώρου µνήµης. Κατακερµατισµός µε δηµιουργία οπών. Αδυναµίες στην εξυπηρέτηση διεργασιών υναµική Κατανοµή µνήµης (dynamic allocation) : Μεγάλη ευελιξία και αποδοτικότητα µικρή σπατάλη µνήµης. Ιδανική εξυπηρέτηση διεργασιών. υνατότητα εκµετάλλευσης οπών µνήµης. υνατότητα συµπίεσης µνήµης µε επανατοποθέτηση. Πολύπλοκη διαχείριση από το Λ.Σ. υσκολότερη προστασία της µνήµης. Σε συστήµατα καταµερισµού χρόνου οι χρήστες-διεργασίες είναι περισσότεροι από τα τµήµατα µνήµης. Η µνήµη των διεργασιών που δεν χωρούν στην RAM, κρατείται στον δίσκο και εναλλάσσεται µε την RAM (swapping). Η εναλλαγή µεταξύ µνήµης και δίσκου γίνεται µε ειδικούς αλγόριθµους. RAM HDD RAM HDD RAM HDD Γ Γ Γ Β Α Z E E Α Z B E Z A B Λ.Σ. Λ.Σ. Λ.Σ. Σπύρος Καζαρλής 17

18 Χρησιµοποιείται σε συστήµατα εναλλαγής µνήµης. Χρησιµοποιούνται εικονικές διευθύνσεις µνήµης που είναι περισσότερες από τις πραγµατικές. Αντιστοίχιση περιοχών εικονικής µνήµης σε πραγµατικές. Χώρος συµβολικών ονοµάτων int i float j char c Χώρος εικονικών διευθύνσεων Α Β Γ Χώρος πραγµατικών διευθύνσεων Α Β Γ Λ.Σ. Λ.Σ. Η πραγµατική κύρια µνήµη διαιρείται σε ένα αριθµό ενοτήτων ίσου µεγέθους (blocks ή frames). Ο χώρος της εικονικής µνήµης διαιρείται σε έναν αριθµό σελίδων (pages) ίσου µεγέθους µε τις ενότητες. Αντιστοιχίζεται µία σελίδα σε µία ενότητα. Πίνακας σελίδων. Αναφορά διευθύνσεων ως Αριθµός σελίδας - Μετατόπιση. Εικονικός Χώρος Πραγµατικός Χώρος Πίνακας Αντιστοίχισης Σελίδων Σελίδα 0 Σελίδα 1 Σελίδα 2 Σελίδα 3 Σελίδα 4 Σελίδα 5 Σελίδα 6 Ενότητα 0 Ενότητα 1 Ενότητα 2 Ενότητα 3 Σελίδα 0 Σελίδα 1 Σελίδα 2 Σελίδα 3 Σελίδα 4 Σελίδα 5 Σελίδα 6 Ενότητα 1 - Ενότητα 3 - Ενότητα 0 Ενότητα 2 - Σπύρος Καζαρλής 18

19 Associative memory µνήµη λίγων καταχωρήσεων του πίνακα σελίδων ενσωµατωµένη στο υλικό (memory controller). Σε κάθε αναφορά ιδεατής µνήµης ελέγχονται παράλληλα οι καταχωρήσεις και αν βρεθεί, εξάγεται απευθείας η ενότητα. Αν δεν βρεθεί, τότε µία εγγραφή αντικαθίσταται από την σωστή του πίνακα σελίδων. Ποσοστό επιτυχίας (hit ratio) Έγκυρη Ιδεατή Σελίδα Τροποποίηση Προστασία RW RX RW RW RX RX RW Ενότητα Η µνήµη διαιρείται σε τµήµατα µεταβλητού µεγέθους που µπορεί να αλλάζουν δυναµικά. Μία διεργασία µπορεί να απασχολεί πολλά τµήµατα που µπορεί να βρίσκονται στην κύρια µνήµη ή στο δίσκο. ιεύθυνση βάσης µέγεθος παρουσία στην κύρια µνήµη. Πίνακας Τµηµάτων (segment table). Α Εικονικός Χώρος Α Β Γ Λ.Σ. Β Λ.Σ. Γ RAM HDD Σπύρος Καζαρλής 19

20 Οι διεργασίες µπορούν να δεσµεύουν παραπάνω µνήµη κατά την εκτέλεσή τους. Τρείς µέθοδοι αντιµετώπισης : Χορήγηση διπλανού ελεύθερου τµήµατος µνήµης. Μετατόπιση της διεργασίας σε άλλο τµήµα µνήµης. Αποθήκευση στον δίσκο έως ότου απελευθερωθεί µνήµη. Εναλλακτική λύση : χορήγηση παραπάνω µνήµης από την απαιτούµενη. Β χώρος επέκτασης χρησιµοποιείται Στοίβα Β εδοµένα Β Πρόγραµµα Β χώρος επέκτασης Α Λ.Σ. χώρος επέκτασης χρησιµοποιείται Στοίβα Α εδοµένα Α Πρόγραµµα Α Λ.Σ. χώρος επέκτασης Τα σύγχρονα υπολογιστικά συστήµατα συνοδεύονται από µονάδες µόνιµης αποθήκευσης δεδοµένων µεγάλης χωρητικότητας (Σκληροί δίσκοι, CD-ROM, DVD) που µπορούν να αποθηκεύσουν τεράστιους όγκους πληροφορίας. Η πληροφορία αποθηκεύεται µε την µορφή αρχείων. Το κοµµάτι του Λ.Σ. που διαχειρίζεται τα αρχεία και τις µονάδες αποθήκευσης είναι το Σύστηµα Αρχείων (File System). Αρχείο είναι ένα πεπερασµένο σύνολο πληροφορίας (µία οµάδα από ψηφιακές λέξεις-bytes) που αποτελούν µία ενιαία οντότητα µε συγκεκριµένο νοηµατικό ή λειτουργικό περιεχόµενο (π.χ. εκτελέσιµα αρχεία προγραµµάτων, αρχεία κειµένου, εικόνων, µουσικής κ.λ.π.) Έχουν υλοποιηθεί πολλά διαφορετικά συστήµατα αρχείων Π.χ. FAT16 (MS-DOS, WIN 3.1, WIN95), FAT32 (WIN 98, WIN 2000), NTFS (WIN NT, WIN 2000, WIN XP), EXT2 (Unix/Linux Second Extended File System), HFS (Macintosh), JFS (HP_UX, AIX, OS/2v5, LINUX-Journaled File System), CDFS (CD-ROM), Σπύρος Καζαρλής 20

21 1. Χρήση αρχείων µε τα συµβολικά τους ονόµατα. 2. Οργάνωση αρχείων σε ιεραρχικούς καταλόγους. 3. ιενέργεια εργασιών στα αρχεία (δηµιουργία, άνοιγµα, κλείσιµο, διαγραφή, µεταβολή, µετονοµασία, αντιγραφή, µετακίνηση, εκτέλεση). 4. ιενέργεια εργασιών σε καταλόγους (δηµιουργία, άνοιγµα, κλείσιµο, διαγραφή, ενηµέρωση, µετονοµασία, δηµιουργία συνδέσµου,... ). 5. Κοινή προσπέλαση αρχείων από πολλούς χρήστες. 6. Ασφάλεια πρόσβασης στα αρχεία µε χρήση δικαιωµάτων, κωδικών, Ταχύτητα στην ανεύρεση και προσπέλαση αρχείων. 8. Προστασία των αρχείων από βλάβες ή αντικανονικές ενέργειες χρήστη 9. Αποδοτική χρησιµοποίηση του διαθέσιµου χώρου. 10. Απόκρυψη από τον χρήστη της πολυπλοκότητας του συστήµατος. Οι κανόνες ονοµατολογίας διαφέρουν απο σύστηµα σε σύστηµα. Γενικοί κανόνες ονοµατολογίας : 1. Μπορούν να περιέχουν εκτυπώσιµα γράµµατα και αριθµούς και περιορισµένα σύµβολα χωρίς άλλη ειδική σηµασία για το Λ.Σ. 2. Μπορούν να περιέχουν µία τελέια. και µία επέκταση ονόµατος. Η επέκταση υποδηλώνει τον τύπο του αρχείου. Στο MS-DOS : Ονόµατα 8.3 µε γράµµατα, αριθµούς και _ κεφαλαία και µικρά είναι το ίδιο. Στα Windows µέχρι 255 χαρ. (ελληνικά/αγγλικά/σύµβολα) long filenames, κεφαλαία και µικρά είναι το ίδιο. Στο Unix/Linux οσοδήποτε µήκος, πολλαπλές τελείες και επεκτάσεις (π.χ. Unix.tar.Z), διαφορετικότητα κεφαλαίων/µικρών. Στις νέες εκδόσεις Linux υποστηρίζονται και ελληνικά ονόµατα αρχείων. Σπύρος Καζαρλής 21

22 .exe.com.dll.obj.c.cpp.txt.hlp.lib.doc.xls.ppt.htm.html.jpg.bmp.gif.mp3.wav.mpg.mov.zip.ace.arj Εκτελέσιµο αρχείο κώδικα µηχανής Dynamic Link Library Αρχείο κώδικα µηχανής, αποτέλεσµα µεταγλώττισης Αρχείο πηγαίου κώδικα σε C, C++ Κείµενο σε µορφή ASCII Αρχείο βοήθειας Βιβλιοθήκη ρουτινών σε κώδικα µηχανής Αρχεία εφαρµογών του Office Αρχεία γλώσσας HTML σελίδες web Αρχεία µε εικόνες Αρχεία ήχου Αρχεία κινούµενης εικόνας -video Συµπιεσµένα αρχεία 1. Τα αρχεία αποτελούνται από bytes χωρίς συγκεκριµένο νόηµα για το Σύστηµα Αρχείων παρά µόνο για την εφαρµογή που θα τα επεξεργαστεί (MS-DOS, Windows, Unix/Linux). 2. Τα αρχεία αποτελούνται από εγγραφές σταθερού µήκους µε εσωτερική δοµή (CP/M χρήση σε τερµατικές συσκευές σταθερού µήκους). 3. Οργάνωση αρχείων σε δένδρα εγγραφών (trees) µε µεγάλες δυνατότητες αναζήτησης και µεταβολών σε databases (mainframes). 1 byte 1 εγγραφή Tom Ann Ron Lou Ken Tim (1) (2) Ian Rey Kim Fred (3) Σπύρος Καζαρλής 22

23 1. Κανονικά Αρχεία (regular files) : περιέχουν πληροφορίες σε bytes. Χωρίζονται σε ASCII και Binary. 2. Κατάλογοι (directories) : περιέχουν εγγραφές αρχείων και χρησιµοποιούνται για την δοµηµένη οργάνωση του συστήµατος αρχείων. 3. Ειδικά αρχεία χαρακτήρων (character special files) : αντιπροσωπεύουν συσκευές εισόδου/εξόδου δεδοµένων σε µορφή ASCII. 4. Ειδικά αρχεία µπλόκ (block special files) : αντιπροσωπεύουν συσκευές εισόδου/εξόδου δεδοµένων σε δυαδική µορφή (HDD). Τα αρχεία προσπελαύνονται µε δύο τρόπους : 1. Σειριακή προσπέλαση (sequential access) : αρχεία σε µαγνητικές ταινίες, αρχεία κειµένου ASCII (.txt). 2. Τυχαία προσπέλαση (random access) : αρχεία σε δίσκους και δισκέτες, αρχεία βάσεων δεδοµένων µε σταθερό µήκος εγγραφής. Εκτός από το όνοµα και τα περιεχόµενα, κάθε αρχείο έχει και µία σειρά από χαρακτηριστικά (attributes) που εγγράφονται σε αυτό από το σύστηµα αρχείων. Απλά χαρακτηριστικά (MS-DOS, FAT16, FAT32) : 1. System : υποδηλώνει αρχείο του Λ.Σ. 2. Hidden : αποκρύπτει το αρχείο 3. Readonly : καθιστά το αρχείο µόνο για ανάγνωση 4. Archive : χρησιµοποιείται για επιλεκτικό backup αρχείων. Εξελιγµένα χαρακτηριστικά (NTFS, EXT2): 1. Χαρακτηριστικά ασφάλειας : ηµιουργός, Ιδιοκτήτης, Οµάδα, ικαιώµατα χρήσης, password. 2. Χαρακτηριστικά χρόνων : χρόνος δηµιουργίας, χρόνος τελευταίας αλλαγής, χρόνος τελευταίας προσπέλασης. 3. Άλλα χαρακτηριστικά : µέγεθος, ένδειξη κλειδώµατος, ένδειξη ASCII/binary, ένδειξη τυχαίας προσπέλασης. Σπύρος Καζαρλής 23

24 ηµιουργία (Create) : δηµιουργία νέου αρχείου σε συγκεκριµένο κατάλογο. ιαγραφή (Delete) : διαγραφή υπάρχοντος αρχείου. Άνοιγµα (Open) : αποκατάσταση επικοινωνίας µε το αρχείο. Κλείσιµο (Close) : τερµατισµός επικοινωνίας µε το αρχείο. ιάβασµα (Read) : ανάγνωση των περιεχοµένων του αρχείου. Γράψιµο (Write) : αποστολή δεδοµένων για εγγραφή στο αρχείο. Προσθήκη (Append) : πρόσθεση δεδοµένων στο τέλος του αρχείου. Μετακίνηση (Seek) : µετακίνηση του δείκτη αρχείου στην επιθυµητή θέση για ανάγνωση/εγγραφή (τυχαία προσπέλαση). Μετονοµασία (Rename) : µεταβολή του ονόµατος του αρχείου. Ανάγνωση χαρακτηριστικών (Get attributes) : µας δίνει τα χαρακτηριστικά του αρχείου. Τοποθέτηση χαρακτηριστικών (Set Attributes) : καθορίζει τα χαρακτηριστικά του αρχείου. Οι κατάλογοι (directories/folders) είναι αρχεία µε ειδική εσωτερική δοµή ώστε να περιέχουν εγγραφές αρχείων (Όνοµα αρχείου + χαρακτηριστικά αρχείου) ή άλλων υποκαταλόγων. Χρησιµοποιούνται από το Λ.Σ. για ιεραρχική οµαδοποίηση των αρχείων. Οι κατάλογοι σχηµατίζουν µία ιεραρχική δοµή δένδρου χωρίς περιορισµό βάθους ή πλάτους. Ο βασικός κατάλογος ονοµάζεται ρίζα (root) και συµβολίζεται µε \ (DOS-WIN) ή / (Unix/Linux). \ WinNT Program Files My Documents temp System Fonts Netscape WinZip My Music Απόλυτη διαδροµή (absolute path) : C:\WinNT\System\VGA.DRV Σχετική διαδροµή (relative path) :..\..\Program Files\WinZip\wz32.dll Σπύρος Καζαρλής 24

25 Πράξεις ιαχείρισης Καταλόγων : 1. ηµιουργία (Create) : ηµιουργία νέου καταλόγου είτε κάτω από την ρίζα είτε σε οποιονδήποτε άλλο κατάλογο. 2. ιαγραφή (Delete) : ιαγραφή γίνεται σε άδειους καταλόγους. 3. Άνοιγµα (OpenDir) : Αποκατάσταση επικοινωνίας µε τον κατάλογο. 4. Κλείσιµο (CloseDir) : Τερµατισµός επικοινωνίας µε τον κατάλογο. 5. Ανάγνωση (ReadDir) : ιαβάζει εγγραφές αρχείων από ένα ανοικτό κατάλογο (µία εγγραφή µε κάθε κλήση). 6. Ενηµέρωση (Update) : Ενηµέρωση καταλόγου για µεταβολές αρχείων. 7. Μετονοµασία (Rename) : Αλλαγή ονόµατος καταλόγου. 8. ηµιουργία Συνδέσµου (Link) : ηµιουργία δεύτερης εγγραφής καταλόγου για το ίδιο αρχείο στο δίσκο. 9. ιαγραφή Συνδέσµου (UnLink) : ιαγραφή Link. 10. Ανάγνωση χαρακτηριστικών (Get attributes) 11. Τοποθέτηση χαρακτηριστικών (Set Attributes) Κάθε µαγνητικός δίσκος χωρίζεται σε τροχιές (tracks), τοµείς (sectors) και συµπλέγµατα (clusters/blocks). Ανάγκη ύπαρξης clusters. FAT16 ελέγχει 2 16 =65536 clusters. Για HDD=1GB, cluster size=16kb, για HDD=4GB, cluster size=64kb. FAT32 ελέγχει 2 32 = clusters, για HDD=4GB, θα µπορούσε cluster=1byte, minimum 4Kb. tracks sectors Σκληρός ίσκος cluster Σπύρος Καζαρλής 25

26 Μεγέθη clusters για διάφορες χωρητικότητες δίσκων στο FAT16 και στο FAT32. Μέγεθος δίσκου FAT 16 cluster size FAT 16 cluster size 256MB 511MB 512MB 1023MB 1GB 2GB 2GB 4GB 4GB 8GB 8GB 16GB 16GB 32GB > 32 GB 8 Kb 16 Kb 32 Kb 64 Kb Not supported Not supported Not supported Not supported Not supported 4 Kb 4 Kb 4 Kb 4 Kb 8 Kb 16 Kb 32 Kb Partitions : Λογικές ενότητες πάνω σε ένα δίσκο που υλοποιούνται ως ξεχωριστοί δίσκοι µε δικό τους γράµµα δίσκου (drive letter). Κάθε partition µπορεί να έχει διαφορετικό σύστηµα αρχείων. Boot Sector : Ο πρώτος sector σε ένα partition. Πληροφορίες για το σύστηµα αρχείων και τα χαρακτηριστικά του partition καθώς και πρόγραµµα γλώσσας µηχανής για φόρτωµα του πυρήνα του Λ.Σ. System Area : Η πρώτη περιοχή του δίσκου ~ 10% που περιέχει πληροφορίες για την οργάνωση των αρχείων στο δίσκο (Root directory, FAT-1, FAT-2, MFT, I-nodes κ.λ.π.) Data Area : Περιοχή αποθήκευσης αρχείων, το µεγαλύτερο κοµµάτι του δίσκου. Χωρίζεται σε clusters που έχουν συνεχόµενη αρίθµηση. Partitioning : O χωρισµός ενός δίσκου σε partitions, Primary, Extended, Logical. Format : Η διαµόρφωση ενός partition (Boot, System, Data). FAT Partition (C:) NTFS Partition (D:) Part.Table Boot FAT1 FAT2 Dir Data Boot MFT Dir Data Σπύρος Καζαρλής 26

27 Συνεχής Κατανοµή (Contiguous Allocation) : Τα αρχεία γράφονται σε συνεχόµενα clusters πάνω στο δίσκο. Εύκολη οργάνωση (αρχή, µήκος), γρήγορη προσπέλαση. ηµιουργία κατακερµατισµού. Κατανοµή Συνδεδεµένης Λίστας (Linked List Allocation) : Στο system area καταχωρείται ενωµένη λίστα µε τα clusters του αρχείου Κατανοµή Συνδεδεµένης Λίστας µε Πίνακα : Η συνδεδεµένη λίστα φορτώνεται στη µνήµη για γρήγορη προσπέλαση. cluster list Data Area Data Area 1 3 File1 File1 File2 f1:c1 f2:c1 f1:c2 f2:c2 2 4 File2 System Area System Area 3 5 File1: Χαρ/κά Αρχή, Μήκος File2: Χαρ/κά Αρχή, Μήκος f1: c1 c2 f2: c1 c2 6 Συνεχής Κατανοµή Συνδεδεµένη Λίστα Συνδ. Λίστα µε πίνακα Οι πληροφορίες για κάθε αρχείο αποθηκεύονται σε ένα I-node. Είναι αριθµηµένα. Περιέχουν τα χαρακτηριστικά, µικρή περιοχή µε δείκτες σε data blocks, δείκτη σε απλά έµµεσο µπλόκ, δείκτη σε διπλά έµµεσο µπλόκ, και δείκτη σε τριπλά έµµεσο µπλόκ. είκτες σε data blocks Αριθµός I-node χαρακτηριστικά είκτης Α.Ε.Μ είκτης.ε.μ είκτης Τ.Ε.Μ Απλά Έµµεσο Μπλόκ ιπλά Έµµεσο Μπλόκ είκτες σε data blocks Τριπλά Έµµεσο Μπλόκ είκτες σε data blocks Σπύρος Καζαρλής 27