Λειτουργικά Συστήματα (ΗΥ321)

Transcript

1 Λειτουργικά Συστήματα (ΗΥ321) Διάλεξη 1: Εισαγωγή

2 Εσείς; 2 Έτος; Υποχρεωτικό / Επιλογής; Background; Τι περιμένετε από το μάθημα;

3 Περιεχόμενο Μαθήματος Εισαγωγή, γενικά περί λειτουργικών συστημάτων Γενικά στοιχεία αρχιτεκτονικών Νήματα & Διεργασίες Σύντομη επισκόπηση του συγχρονισμού, αδιεξόδων Χρονοδρομολόγηση Διαχείριση μνήμης Ιδεατή μνήμη Σελιδοποίηση Διαχείριση σε επίπεδο χρήστη Δίσκοι Αρχεία, κατάλογοι, οργάνωση Δρομολόγηση δίσκων Caching Solid State Disks (SSDs) Ι/Ο Interrupts DMA Πολιτικές και μηχανισμοί προστασίας Ζητήματα Ασφάλειας Virtualization Διαχείριση κατανάλωσης ισχύος 3

4 Βιβλιογραφία Συγγράμματα: «Λειτουργικά Συστήματα», Silberschatz, Galvin, Gagne, Εκδόσεις Ίων. «Λειτουργικά Συστήματα. Αρχές Σχεδίασης», William Stallings, Εκδόσεις Τζιόλα. «Σύγχρονα Λειτουργικά Συστήματα», Andrew Tanenbaum, Εκδόσεις Κλειδάριθμος. 4 Προτεινόμενα άλλα συγγράμματα: «Operating Systems Design and Implementation», Andrew Tanenbaum, Prentice Hall. «Linux Kernel Development»,Robert Love, εκδόσεις Novell Press.

5 Απαιτήσεις - Αξιολόγηση Τελική εξέταση Ομαδική εργασία (προαιρετική για όσους παίρνουν το μάθημα ως υποχρεωτικό, υποχρωτική για όσους παίρνουν το μάθημα ως επιλογής) Ομάδες 3 ατόμων 4 φάσεις (1 εισαγωγική, 3 κανονικές) Λειτουργικό σύστημα Linux Αξιολόγηση με εργασία: Πρέπει εξέταση >= 5 και εργασία >=5 Τελικός βαθμός = 0,6 * εξέταση + 0,4 * εργασία Δέσμευση με την παράδοση της 2ης εργασίας Ισχύουν οι εργασίες ακαδημαϊκού έτους Αξιολόγηση χωρίς εργασία Πρέπει εξέταση >= 5 Τελικός βαθμός = 5 + (εξέταση 5) * 0,4 Μέγιστος τελικός βαθμός: 7 5

6 Λοιπές Πληροφορίες 6 Ιστοσελίδα μαθήματος: Λίστα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου: Forum μαθήματος (μη διαθέσιμο ακόμα, ενδεχομένως το link να αλλάξει):

7 Λοιπές Πληροφορίες Επικοινωνία με τον διδάσκοντα Γραφείο: Γκλαβάνη, Β3/5 Ώρες γραφείου: Τετάρτη, Παρασκευή 14:00-16:00 (κατόπιν ραντεβού από το 7 Επικοινωνία με τον μεταπτυχιακό-βοηθό του μαθήματος Βασίλης Βασιλειάδης Γραφείο: Γκλαβάνη, Β4/8 vasiliad@inf.uth.gr

8 Πρόγραμμα 8 Μάθημα Δευτέρα 14:00 16:00 Πέμπτη 15:00 17:00 Φροντιστήριο Παρασκευή 9:00 10:00 (Σ)

9 Τα Στοιχεία ενός Υπολογιστικού Συστήματος 9 Word Compiler GTA V ΛΣ Υλικό

10 Υλικό ενός Τυπικού ΥΣ 10

11 Τι είναι το Λειτουργικό Σύστημα (ΛΣ); 11 Ένα πρόγραμμα που λειτουργεί ως ενδιάμεσος μεταξύ των χρηστών των Υπολογιστικών Συστημάτων και του υλικού του Υπολογιστικού Συστήματος (ΥΣ)

12 Τι το ενδιαφέρον υπάρχει εδώ; 12 ΛΣ = Η «λάσπη» που δένει το υλικό με το λογισμικό και η «κουρτίνα» που κρύβει το υλικό από το λογισμικό. Κάνει «ευπαρουσίαστη» την πραγματικότητα Μαγεία για τον πολύ κόσμο

13 Τι το ενδιαφέρον υπάρχει εδώ; 13 ΛΣ = Παράδειγμα ενός πολύ πολύπλοκου συστήματος λογισμικού Μεγάλο, Παράλληλο, Ακατανόητο, Πανάκριβο (για να δημιουργηθεί) Windows (τουλάχιστον ως τα XP): 10 χρόνια 1000δες προγραμματιστών. Δουλεύει; Τα ενδιαφέροντα συστήματα είναι και πολύπλοκα: internet, έλεγχος εναέριας κυκλοφορίας, κυβερνήσεις, καιρός, ζευγάρια, Πώς αντιμετωπίζουμε την πολυπλοκότητα; Αφαίρεση + Δομή + Επαναχρησιμοποίηση Εξαιρετικά αποτελεσματικό: int main(int argc, char *argv[]) { printf( Hello World ); return(0); } Χιλιάδες γραμμές κώδικα! Αλλά δε χρειάζεται να νοιαστούμε

14 Απόπειρες Ορισμού ΛΣ (1/3) 14 Το ΛΣ ως εκτεταμένη μηχανή (extended ή virtual machine). Το πρόγραμμα που κρύβει από το χρήστη / προγραμματιστή την αλήθεια για το υλικό Παράδειγμα 1: Παρουσίαση μιας απλής και εύχρηστης απεικόνισης από ονόματα και λειτουργίες χειρισμού αρχείων και καταλόγων Παράδειγμα 2: Παρουσίαση της μνήμης στα προγράμματα των χρηστών, διαχείριση διακοπών (interrupt handling)

15 Απόπειρες Ορισμού ΛΣ (2/3) 15 Το ΛΣ ως διαχειριστής της ανάθεσης πόρων (resource allocation). Το πρόγραμμα που αναλαμβάνει να μοιράσει τους πόρους τους συστήματος ανάμεσα στις διάφορες εφαρμογές Το πρόγραμμα που κάνει το πεπερασμένο (σχεδόν) άπειρο Παράδειγμα 1: H χρήση κοινών εκτυπωτών, όπου θα πρέπει το ΛΣ να παρέχει έναν τρόπο για την ορθή και με συγκεκριμένη σειρά εκτύπωση των δεδομένων όλων των χρηστών, που χρησιμοποιούν ταυτόχρονα τον εκτυπωτή Παράδειγμα 2: Διαχείριση και προστασία της μνήμης, ιδιαίτερα σε συστήματα που εξυπηρετούν ταυτόχρονα πολλούς χρήστες

16 Απόπειρες Ορισμού ΛΣ (3/3) 16 Top down view: Παρέχει στα προγράμματα εύκολη και αποδοτική επικοινωνία με τους διάφορους πόρους του ΥΣ Bottom up view: «Παρέχει μια συστηματοποιημένη και ελεγχόμενη κατανομή των επεξεργαστών, των μνημών, και των άλλων συσκευών εισόδου / εξόδου, ανάμεσα στα διάφορα προγράμματα-πελάτες που ανταγωνίζονται μεταξύ τους για να τα χρησιμοποιήσουν» (Tanenbaum, 2001)

17 Υλοποίηση Λειτουργικών Συστημάτων 17 Στα αρχαία χρόνια σε assembly. Πλέον σε γλώσσες προγραμματισμού υψηλότερου επιπέδου Γιατί; μπορεί να γραφτεί γρηγορότερα είναι περισσότερο συμπαγή είναι εύκολα στην κατανόηση είναι πιο εύκολα στην εκσφαλμάτωση (debugging) είναι ευκολότερα μεταφέρσιμα σε άλλη αρχιτεκτονική

18 Λειτουργικά Συστήματα και Αρχιτεκτονική Υπολογιστικών Συστημάτων Σχέση «εξάρτησης» μεταξύ ΛΣ και αρχιτεκτονικής των ΥΣ στα οποία εκτελούνται Οι εξελίξεις στο υλικό των ΥΣ=> Επιπλέον λειτουργίες προς τα προγράμματα των χρηστών. Οι λειτουργίες αυτές υλοποιούνταν με την εισαγωγή και την εξέλιξη των ΛΣ Καλός τρόπος να κατανοήσουμε τις εξελίξεις στα ΛΣ είναι να παρακολουθήσουμε τις εξελίξεις στην αρχιτεκτονική που τις «επέτρεψαν» 18

19 Γενιά 0 Ένα πρόγραμμα, ένας χρήστης, μια μηχανή Παραδείγματα: Πρώτοι υπολογιστές Πρώτα PCs APP ΛΣ Nintendo, Xbox, PS3 Αυτοκίνητο υλικό Ανελκυστήρας Απλά μια βιβλιοθήκη standard υπηρεσιών (device drivers, interrupt handlers, I/O) Τα καλά: Δεν υπάρχουν κακοί (άνθρωποι & προγράμματα) Ελάχιστες πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις Τα άσχημα: Κακή αξιοποίηση των πόρων 19

20 Μεγάλα Υπολογιστικά Συστήματα 20 Μείωση του χρόνου εκκίνησης με την ομαδοποίηση παρόμοιων εργασιών (batching of similar jobs) Αυτοματοποίηση της εναλλαγής μεταξύ των εργασιών αυτόματη μεταφορά ελέγχου μεταξύ εργασιών (πρώτο στοιχειώδες ΛΣ) Μόνιμο (στη μνήμη) πρόγραμμα ελέγχου (resident monitor): Αρχικά, ο έλεγχος στο πρόγραμμα ελέγχου Μεταφορά του ελέγχου στην εργασία Με την ολοκλήρωση της εργασίας, μεταφορά του ελέγχου στο πρόγραμμα ελέγχου

21 Σειριακή Εκτέλεση και Παροχέτευση (Spooling) 21 Οι εργασίες προς εκτέλεση φορτώνονται σε δευτερεύουσα μνήμη Οι αρχαίοι ημών πρωτόγονοι έγραφαν κάθε εργασία σε χάρτινες κάρτες, οι οποίες με την σειρά τους διαβάζονταν από ειδικά μηχανήματα για να αποθηκευτούν στον δίσκο/ταινία του ΥΣ Το σύστημα επιλέγει μια από τις αποθηκευμένες εργασίες, την μεταφέρει από την δευτερεύουσα στην πρωτεύουσα μνήμη και αρχίζει την εκτέλεσή της Μόλις τελειώνει η εκτέλεση της τρέχουσας εργασίας, το ΛΣ φορτώνει την επόμενη εργασία Κάθε χρονική στιγμή, υπάρχει μόνο μια εργασία που είναι φορτωμένη και εκτελείται από το σύστημα

22 Χάρτης μνήμης για σύστημα μαζικής επεξεργασίας (batch system) 22

23 Γενιά 1 Word Pro 23 ΛΣ υλικό Το απλό ΛΣ δεν είναι αποδοτικό: Αν μια διεργασία περιμένει κάτι, η μηχανή «χαζεύει». (Φαινομενικά) Απλή ιδέα: Τρέξε ταυτόχρονα περισσότερες διεργασίες Όταν κάποια περιμένει, τρέξε άλλη 1-2 προβληματάκια: Τι κάνουμε αν ένα πρόγραμμα Πέσει σε άπειρο loop; Αρχίσει να ακουμπάει ολοένα και περισσότερη μνήμη;

24 Χάρτης Μνήμης σε Πολυπρογραμματισμένο Σύστημα 24

25 Χαρακτηριστικά ΛΣ για υποστήριξη πολυπρογραμματισμού (1/2) Διαχείριση μνήμης: Το ΛΣ πρέπει να είναι σε θέση να χωρίσει τη μνήμη σε τμήματα (ένα για κάθε διεργασία) και να προστατεύσει το τμήμα κάθε διεργασίας από (ηθελημένες ή αθέλητες) παρεμβολές των υπολοίπων διεργασιών Διαχείριση διεργασιών: Το ΛΣ πρέπει να είναι σε θέση να επιλέξει ποιες διεργασίες θα αποκτήσουν χώρο στη μνήμη Θεωρούμε ότι η μνήμη δεν επαρκεί για να «στεγάσει» όλες τις διεργασίες ταυτόχρονα και ότι μόνο μια διεργασία που είναι στη μνήμη μπορεί να τρέξει 25

26 Χαρακτηριστικά ΛΣ για υποστήριξη πολυπρογραμματισμού (2/2) Χρονοπρογραμματισμός της CPU: 26 Tο ΛΣ πρέπει να επιλέξει μεταξύ των διεργασιών που έχουν χώρο στη μνήμη κάποια για να τρέξει Ανάθεση πόρων με τέτοιο τρόπο ώστε να μην «επηρεάζεται» η μια διεργασία από την εκτέλεση άλλων διεργασιών

27 Γενιά 2 Γιάννης Μαρία 27 gcc emacs ΛΣ υλικό Το απλό ΛΣ καταντά ακριβό: 1 χρήστης = 1 υπολογιστής (Φαινομενικά) Απλή Ιδέα: Επέτρεψε παραπάνω από 1 χρήστη στο σύστημα. Τρέχει το σύστημα Ν φορές πιο αργά; Συνήθως όχι! Παρατήρηση: Οι χρήστες λειτουργούν με εξάρσεις. Αν κάποιος είναι ανενεργός, δώσε τους πόρους στον άλλο. 1-2 προβληματάκια: Τι κάνουμε αν οι χρήστες είναι «σπάταλοι»; Κακοί; Η απλά πολλοί; Το ΛΣ προσθέτει (ξανά) προστασία (Προσοχή: Όσο πάμε να βελτιώσουμε την αξιοποίηση πόρων, αυξάνουμε την πολυπλοκότητα)

28 Όταν κοιτάζω από ψηλά (προστασία) Στόχος: Απομόνωση «κακών» προγραμμάτων και χρηστών (ασφάλεια) Εργαλεία: Διακοπή (preemption) + Μεσολάβηση (interposition) + Προνομιούχες (privileged) εντολές Διακοπή: Δίνουμε κάτι στην εφαρμογή μπορούμε όμως να της το πάρουμε πίσω Μεσολάβηση: ΛΣ ανάμεσα στην εφαρμογή και στα καλούδια (πόρους) Καταγραφή όλων των πόρων που η εφαρμογή μπορεί να προσπελάσει Σε κάθε προσπέλαση έλεγχος αν είναι νόμιμη Προνομιούχα / μη προνομιούχα εκτέλεση Εφαρμογές μη προνομιούχες (πρόβατα) ΛΣ προνομιούχο (Θεός) Οι διαδικασίες προστασίας ελέγχονται μόνο κατά την προνομιούχα εκτέλεση 28

29 Παραδείγματα Επιτυχημένων Μεθόδων Προστασίας 29 Προστασία του επεξεργαστή: Διακοπή (preemption) Διακοπή (interrupt) ρολογιού: Το υλικό περιοδικά διακόπτει την εφαρμογή και μεταφέρει τον έλεγχο στο ΛΣ Το ΛΣ αποφασίζει αν θα πάρει τον επεξεργαστή από την εφαρμογή Άλλες περιπτώσεις; Η διεργασία μπλοκάρει, ολοκληρώνεται μια ενέργεια I/O, κλήση συστήματος Προστασία μνήμης : Μετάφραση διευθύνσεων Ελέγχεται η νομιμότητα όλων των αναγνώσεων και εγγραφών. Χρήση μηχανισμού υλικού για τη μετάφραση διευθύνσεων (γιατί;) (Παρόμοια και η προστασία του δίσκου)

30 Τρύπες σε Πραγματικά Συστήματα 30 Τα ΛΣ προστατεύουν κάποιες ενέργειες, αλλά αγνοούν (ηθελημένα ή μη) άλλες. Τα περισσότερα UNIX θα «σκάσουν» αν τρέξετε αυτό int main() { while(1) fork(); } Συνήθης απόκριση: Πάγωμα Για ξεπάγωμα: Reboot Αν αυτό αποτύχει, δοκιμάστε να «ακουμπάτε» ολοένα και περισσότερη μνήμη Τεχνικές ή «κοινωνικές» λύσεις: Τεχνική: Όρια (quotas) Κοινωνική: Τιμωρία του χαζού χρήστη

31 Το θαύμα της Κανά (1/2) 31 Περιορισμένη «πίτα» (πόροι) Άπειρη ζήτηση Πώς κάνουμε την πίτα να φτάσει; Ιδέα: Η χρήση πόρων έχει εξάρσεις! Δώσε στους άλλους όταν κάποιος είναι ανενεργός Π.χ. περιμένουμε μια web page; Δώσε τη CPU σε άλλη διεργασία Νέα ιδέα; Μοιραζόμαστε αίθουσες, εστιατόρια, μέσα μεταφοράς, δρόμους αντί να έχει ο καθένας το δικό του ΟΜΩΣ, Μεγαλύτερη αξιοποίηση = Παραπάνω πολυπλοκότητα. Διαχείριση; (π.χ., 1 δρόμος / αυτοκίνητο αντί της εθνικής οδού) Αφαίρεση (λωρίδες), συγχρονισμός (φανάρια), αύξηση χωρητικότητας (περισσότεροι δρόμοι) ΟΜΩΣ, Μεγαλύτερη αξιοποίηση = Ισχυρότερος ανταγωνισμός. Τι κάνουμε όταν η ψευδαίσθηση χαλάσει; Άρνηση υπηρεσίας (καλέστε αργότερα), εφεδρείες (VM swapping), υποχώρηση και επανάληψη (ethernet), Houston we have a problem (εθνική οδός)

32 Το θαύμα της Κανά (2/2) 32 Πώς μοιράζουμε την «πίτα»; Να το κάνει ο χρήστης; Θεωρούμε τις εφαρμογές ισότιμες, τις παρακολουθούμε και προσαρμοζόμαστε Τι να θυμάστε; ΛΣ = Ο δικτάτορας του υπολογιστή Χρησιμοποίησε πληροφορία από το σύστημα αντί να είσαι τυφλά δίκαιος Και τι κάνουμε με τους κακούς; Όρια (quotas), στην άκρη (swapping), αγοράζουμε περισσότερα (microsoft windows), τίποτα-καταστροφή (ethernet, τα περισσότερα πραγματικά συστήματα), νόμοι (εθνική οδός) Πρόβλημα: Δύσκολο να ξεχωρίσεις τα καλά, πλην όμως «βαριά» προγράμματα, από τους εγωιστές ή τους κακούς.

33 Τρέχουμε (;) (επίδοση) 33 Κόλπο 1: Αξιοποίησε τις εξάρσεις Πάρε από τον ανενεργό και δώσε στον ενεργό. Τους έχεις όλους ευτυχισμένους Κόλπο 2: Αξιοποίησε την «τάση» 80% του χρόνου από 20% του κώδικα 90% των αναφορών σε 10% της μνήμης Η ιδέα πίσω από την cache: Βάλε 10% στη γρήγορη μνήμη, 90% στην αργή, και φαίνεται σαν μια μεγάλη γρήγορη μνήμη Κόλπο 3: Το παρελθόν προβλέπει το μέλλον Ποια γραμμή να αντικαταστήσω στην cache; Αν παρελθόν=μέλλον, αυτή που χρησιμοποιήθηκε παλαιότερα. ΔΟΥΛΕΥΕΙ: καιρός, χρηματιστήριο,

34 Στόχοι Σχεδιασμού ΛΣ 34 Στόχοι για το Χρήστη Το ΛΣ πρέπει να είναι εύκολο στη χρήση, εύκολο στη μάθηση, αξιόπιστο, ασφαλές και γρήγορο Στόχοι για το Σύστημα Εύκολο στο σχεδιασμό, την υλοποίηση και τη συντήρηση, Ευέλικτο, αξιόπιστο, χωρίς λάθη και αποδοτικό

35 Μηχανισμοί και Πολιτικές 35 Mηχανισμοί Προσδιορίζουν το πως υλοποιούνται συγκεκριμένες λειτουργίες του ΛΣ Πολιτικές Προσδιορίζουν το τι τακτική θα ακολουθηθεί σε μια συγκεκριμένη λειτουργία του ΛΣ Υλοποιούνται από μηχανισμούς Μέσα από έναν μοναδικό μηχανισμό μπορεί να υποστηριχθούν πολλές διαφορετικές πολιτικές Ο διαχωρισμός της πολιτικής από τους μηχανισμούς είναι σημαντική αρχή (ευελιξία)

36 Είδη Υπολογιστικών Συστημάτων και Λειτουργικών 36 Προσωπικοί Υπολογιστές: Yπολογιστικά συστήματα αφιερωμένα σε ένα χρήστη Διευκόλυνση των χρηστών και αυξημένη απόκριση στα αιτήματά τους για εξυπηρέτηση Περιέχει τεχνολογία που προορίζεται για μεγαλύτερα ΥΣ, αλλά το γεγονός ότι απευθύνονται σε ένα χρήστη τα κάνει πιο απλά Διάφορα ΛΣ (Windows, MacOS, Linux)

37 Παράλληλα Συστήματα (1/2) 37 Συστήματα πολλών επεξεργαστών με περισσότερες της μιας ΚΜΕ σε επικοινωνία Έχετε δουλέψει σε κάτι τέτοιο; Πλεονεκτήματα των παράλληλων συστημάτων: Αυξημένη απόδοση (όταν επιτυγχάνεται παράλληλη εκτέλεση κώδικα από τις διάφορες ΚΜΕ) Οικονομία κλίμακας (αναλογικά μικρότερο κόστος ανά ΚΜΕ σε σχέση με πολλούς ξεχωριστούς ΗΥ) Αυξημένη αξιοπιστία (αντοχή σε λάθη και ομαλή πτώση απόδοσης όταν χάνονται διάφοροι πόροι του ΥΣ)

38 Παράλληλα Συστήματα (2/2) 38 Συμμετρική πολυεπεξεργασία (Symmetric multiprocessing (SMP)) Κάθε επεξεργαστής τρέχει ένα πανομοιότυπο αντίγραφο του ΛΣ Πολλές εργασίες μπορούν να τρέχουν ταυτόχρονα χωρίς χειροτέρευση της απόδοσης Τα περισσότερα σύγχρονα ΛΣ υποστηρίζουν SMP Ασύμμετρη πολυεπεξεργασία (Asymmetric multiprocessing) Κάθε επεξεργαστής αναλαμβάνει συγκεκριμένη εργασία, ενώ ο κύριος επεξεργαστής αναθέτει εργασίες στους υπόλοιπους Περισσότερο συνηθισμένο σε πολύ μεγάλα ΥΣ, ή Σε πολύ μικρά υπολογιστικά συστήματα (π.χ. Cell)

39 Συστήματα Πραγματικού Χρόνου (Real-Time Systems) (1/2) 39 Xρησιμοποιούνται σε συσκευές ελέγχου σε εξειδικευμένες εφαρμογές Έλεγχος επιστημονικών πειραμάτων Συστήματα ελέγχου στη βιομηχανία ή στις συγκοινωνίες Συστήματα απεικόνισης Σαφώς προσδιορισμένοι και σταθεροί χρονικοί περιορισμοί Τα συστήματα πραγματικού χρόνου μπορεί να είναι είτε αυστηρά (hard - δεν επιτρέπεται η παραμικρή απόκλιση από το πλάνο εκτέλεσης) είτε χαλαρά (soft - επιτρέπονται μικρές καθυστερήσεις στην απόκριση του συστήματος)

40 Συστήματα Πραγματικού Χρόνου (2/2) 40 Αυστηρά συστήματα πραγματικού χρόνου: Περιορισμένη ή απούσα δευτερεύουσα αποθήκευση, τα δεδομένα τηρούνται σε ROM Δεν υποστηρίζονται από τα ΛΣ γενικού σκοπού Χαλαρά συστήματα πραγματικού χρόνου: Περιορισμένη χρησιμότητα σε βιομηχανικό έλεγχο ή ρομποτική Χρήσιμα σε εφαρμογές (πολυμέσα, εικονική πραγματικότητα) απαιτητικές από το ΛΣ

41 Άλλα Υπολογιστικά Συστήματα και Λειτουργικά Συστήματα 41 Δικτύου ΛΣΔ ισότιμων σταθμών εργασίας (peer-to-peer NOSs) ΛΣΔ αφιερωμένου εξυπηρετητή (dedicated server NOSs) Κατανεμημένα Κατανομή των υπολογισμών μεταξύ διαφόρων (όχι απαραίτητα όμοιων) επεξεργαστών χωρίς κοινή μνήμη ή κοινό ρολόι Client / Server Clusters

42 Λειτουργικά για Eνσωματωμένα Συστήματα 42 Ψηφιακοί Βοηθοί (Personal Digital Assistants (PDAs)) Κινητά τηλέφωνα Δίκτυα αισθητήρων (sensor networks) Ζητήματα: Περιορισμένη μνήμη Αργοί επεξεργαστές Μικρές οθόνες απεικόνισης Περιορισμοί στην κατανάλωση ενέργειας (μπαταρίες)

43 Δομή Λειτουργικών Συστημάτων

44 Μονολιθική Προσέγγιση 44 To ΛΣ αποτελείται από ουσιαστικά ένα μεγάλο κομμάτι κώδικα Πρόσβαση στις λειτουργίες του ΛΣ δίνεται μέσω από μια μοναδική και αρκετά εκτεταμένη διεπαφή προγραμματισμού (Application Programming Interface - API) Ακόμα και αν υπάρχουν ξεχωριστά τμήματα κώδικα (που μεταφράζονται ξεχωριστά), υπάρχει αρκετά μεγάλη εξάρτηση ανάμεσα τους (σε επίπεδο δομών δεδομένων ή/και αλγορίθμων) Για να αλλάξει μια λειτουργία του ΛΣ πρέπει συνήθως να γίνουν αλλαγές σε πολλά διαφορετικά τμήματα του κώδικα

45 Δομή του UNIX 45 UNIX περιορισμένο από τις δυνατότητες του υλικού, αρχικά το ΛΣ UNIX είχε περιορισμένη δόμηση. Το UNIX αποτελείται από δύο διαχωρίσιμα τμήματα: Τον πυρήνα (kernel): Αποτελείται από οτιδήποτε υπάρχει κάτω από τη διεπαφή των κλήσεων συστήματος και πάνω από το υλικό Παρέχει τις λειτουργίες συστήματος αρχείων, διαχείρισης μνήμης, χρονοπρογραμματισμού ΚΜΕ, και άλλες λειτουργίες ενός ΛΣ (μεγάλος αριθμός λειτουργιών για ένα επίπεδο) Προγράμματα συστήματος

46 Δομή του Unix 46

47 Προσέγγιση σε Επίπεδα (Layered Approach) 47 To ΛΣ χωρίζεται σε επίπεδα-στρώματα (layers ή levels), Κάθε ένα χτίζεται πάνω από υπάρχοντα επίπεδα. Επίπεδο 0 = υλικό, ενώ το υψηλότερο (επίπεδο N) η διεπαφή επικοινωνίας χρήστη-υπολογιστή (user interface) Με την τμηματοποίηση (modularity), τα επίπεδα επιλέγονται έτσι ώστε το καθένα να χρησιμοποιεί λειτουργίες και υπηρεσίες μόνο από τα χαμηλότερα επίπεδα

48 Αναπαράσταση Στρώματος 48

49 Android OS (layered) 49

50 Προσέγγιση Microkernel 50 Μετακινεί όσο το δυνατόν περισσότερες λειτουργίες στο χώρο του χρήστη Η επικοινωνία μεταξύ των τμημάτων των χρηστών γίνεται με πέρασμα μηνυμάτων Πλεονεκτήματα: ευκολότερη και πιο ευέλικτη επεκτασιμότητα του ΛΣ ευκολότερη η μεταφορά του ΛΣ σε νέες αρχιτεκτονικές μεγαλύτερη αξιοπιστία και ασφάλεια (λιγότερος κώδικας τρέχει σε kernel mode)

51 Minix Microkernel Architecture 51

52 Προσέγγιση Client-Server 52 Το ΛΣ αποτελείται από μια ομάδα εξυπηρετητών Κάθε εξυπηρετητής του ΛΣ ανοίγει ένα κανάλι / δίαυλο επικοινωνίας και περιμένει να λάβει αιτήσεις από πελάτες (προγράμματα) Ένας εξυπηρετητής είναι είτε σειριακός (iterative) όπου επεξεργάζεται μια αίτηση κάθε φορά (οι αιτήσεις των πελατών τοποθετούνται σε ουρές αναμονής), είτε παράλληλος (concurrent) όπου επεξεργάζεται πολλές αιτήσεις ταυτόχρονα Τα προγράμματα πελάτες επικοινωνούν με το ΛΣ στέλνοντας αιτήσεις στις διευθύνσεις των αντίστοιχων εξυπηρετητών και λαμβάνοντας τα αποτελέσματα

53 Windows Client-Server Arch. User Mode System Processes Services Applications Service Control Mgr. LSASS WinLogon Session Manager SvcHost.Exe WinMgt.Exe SpoolSv.Exe Services.Exe Task Manager Explorer User Application Subsystem DLLs POSIX Windows DLLs OS/2 Environment Subsystems Windows 53 System Threads NTDLL.DLL Kernel Mode System Service Dispatcher I/O Mgr (kernel mode callable interfaces) Windows USER, GDI Device & File Sys. Drivers File System Cache Object Mgr. Plug and Play Mgr. Power Mgr. Security Reference Monitor Virtual Memory Processes & Threads Configuration Mgr (registry) Local Procedure Call Graphics Drivers Kernel Hardware Abstraction Layer (HAL) hardware interfaces (buses, I/O devices, interrupts, interval timers, DMA, memory cache control, etc., etc.) Copyright Microsoft

54 Ιδεατές Μηχανές (Virtual Machines) 54 Μια ιδεατή μηχανή (virtual machine) παρουσιάζει το υλικό και τον πυρήνα του ΛΣ σαν να ήταν όλα υλικό Μια ιδεατή μηχανή παρέχει μια προσαρμογή πανομοιότυπη με το υφιστάμενο υλικό Το ΛΣ παρέχει την ψευδαίσθηση των πολλαπλών διεργασιών, όπου η κάθε μια εκτελείται στο δικό της επεξεργαστή με τη δικιά της (ιδεατή) μνήμη

55 Ιδεατές Μηχανές (συνέχεια) 55 Οι πόροι του ΥΣ διαμοιράζονται προκειμένου να δημιουργήσουν τις ιδεατές μηχανές Ο χρονοπρογραμματισμός της ΚΜΕ, μπορεί να δώσει την εντύπωση ότι οι χρήστες έχουν δικό τους επεξεργαστή Ένα κανονικό τερματικό χρήστη σε ένα σύστημα καταμερισμού χρόνου λειτουργεί ως η κονσόλα του χειριστή της ιδεατής μηχανής

56 Ιδεατές μηχανές παράδειγμα (VMware) 56

57 Πλεονεκτήματα / Μειονεκτήματα Ιδεατών Μηχανών 57 Πλήρης προστασία των πόρων του συστήματος Κάθε ιδεατή μηχανή είναι πλήρως απομονωμένη από τις άλλες. ΌΜΩΣ: Δεν επιτρέπεται άμεσος διαμοιρασμός πόρων Τέλειο κόλπο για έρευνα και ανάπτυξη στην περιοχή των ΛΣ Ανάπτυξη στην ιδεατή μηχανή, αντί της πραγματικής Δεν επηρεάζεται η κανονική λειτουργία του συστήματος Δύσκολη στην υλοποίηση λόγω της επιβάρυνσης που απαιτείται

58 Ιδεατή Μηχανή Java 58 Τα μεταγλωττισμένα προγράμματα Java είναι bytecodes ανεξάρτητα πλατφόρμας που εκτελούνται από την ιδεατή μηχανή Java (Java Virtual Machine JVM) H JVM αποτελείται από: φορτωτή κλάσεων επαληθευτή (class verifier) διερμηνέας σε χρόνο εκτέλεσης (run-time interpreter) Αύξηση της απόδοσης με μεταγλωττιστές Just-In- Time (JIT) που παράγουν κώδικα μηχανής όταν μια κλάση φορτώνεται για πρώτη φορά στο σύστημα

59 Ιδεατή Μηχανή Java 59

60 Δομικά Τμήματα (Modules) 60 Τα περισσότερα σύγχρονα λειτουργικά συστήματα υλοποιούν δομικά τμήματα πυρήνα (kernel modules) Χρησιμοποιείται η αντικειμενοστραφής προσέγγιση Το κάθε τμήμα είναι ξεχωριστό Το κάθε ένα μιλάει στο άλλο μέσα από γνωστές διεπαφές (interfaces) Το κάθε τμήμα μπορεί να φορτωθεί στον πυρήνα με βάση τις ανάγκες Συνολικά, παρόμοιο με τα επίπεδα αλλά περισσότερο ευέλικτο

61 Δομικά Τμήματα (συνέχεια) 61