Μάθημα 1 ο ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Μάθημα 1 ο ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Τι είναι Λειτουργικό Σύστημα Κάθε Η/Υ αποτελείται από το Υλικό (Hardware) και το Λογισμικό (Software). Το Υλικό είναι το ηλεκτρικό, ηλεκτρονικό και μηχανικό μέρος του Η/Υ. Το Λογισμικό είναι τα προγράμματα, δηλ. οι οδηγίες για το «τι πρέπει κάνει ο υπολογιστής». Ο Η/Υ ορίζεται επομένως ως ένα Σύστημα που αποτελείται από Υλικό και Λογισμικό και μπορεί να εκτελέσει διάφορες εργασίες. Λειτουργικό Σύστημα (Operating System) είναι ένα βασικό πρόγραμμα (ή σύνολο προγραμμάτων) που ελέγχει τη λειτουργία του Η/Υ και παρέχει υπηρεσίες στους χρήστες του.

Η παραπάνω εικόνα παρομοιάζει πολύ επιτυχημένα ένα Λειτουργικό Σύστημα (ή το ρόλο ενός λειτουργικού συστήματος) με το μαέστρο μιας ορχήστρας. Οι μουσικοί με τα μουσικά όργανα είναι τα μέρη του υλικού ενώ οι παρτιτούρες της μουσικής με τις νότες είναι τα προγράμματα. Σε αυτό το παράδειγμα ο χρήστης έχει τον ρόλο του κοινού που απολαμβάνει το τελικό αποτέλεσμα.

Στόχοι ενός Λ.Σ. 1. Η διευκόλυνση των χρηστών. Τα ΛΣ υπάρχουν επειδή κάνουν πιο εύκολη τη χρήση των υπολογιστικών συστημάτων και δίνουν τη δυνατότητα σε ανθρώπους με μικρές γνώσεις γύρω από τους υπολογιστές να εκτελέσουν πολύπλοκες εργασίες. 2. Η διευκόλυνση των προγραμματιστών. Χωρίς ΛΣ κάθε πρόγραμμα έπρεπε π.χ. να ελέγχει τακτικά το πληκτρολόγιο για είσοδο από το χρήστη, να γνωρίζει τις ακριβείς εντολές που πρέπει να στείλει στον εκτυπωτή για να τυπώσει κάτι ή να οργανώνει μόνο του το χώρο αποθήκευσης των δεδομένων του σε ένα σκληρό δίσκο. 3. Η αποδοτική λειτουργία του υπολογιστικού συστήματος, δηλαδή η όσο το δυνατόν καλύτερη χρησιμοποίηση του υλικού, ώστε να κατανέμεται καλύτερα το υπολογιστικό φορτίο.

Κατηγορίες Λογισμικού Λογισμικό Συστήματος (System Software): Περιλαμβάνει το σύνολο των προγραμμάτων που ελέγχουν, διαχειρίζονται και συντονίζουν τους πόρους των Η/Υ Λειτουργεί σε καθεστώς ανεξαρτησίας από συγκεκριμένες εφαρμογές. Η λειτουργία του δεν είναι άμεσα αντιληπτή από τον απλό χρήστη. Λογισμικό Εφαρμογών (Application Software): Περιλαμβάνει προγράμματα που επιτρέπουν την εκτέλεση συγκεκριμένων εργασιών των χρηστών π.χ την δημιουργία κειμένων, την σχεδίαση γραφικών, την οργάνωση δεδομένων κλπ.

Λογισμικό Συστήματος Το βασικότερο λογισμικό της κατηγορίας αυτής είναι το Λειτουργικό Σύστημα (ΛΣ, Operating System, OS).. Στη κατηγορία του λογισμικού συστήματος ανήκουν επίσης και τα ειδικά εργαλεία (utilities), όπως προγράμματα ελέγχου και διαμόρφωσης του σκληρού δίσκου, ελέγχου και επιδιόρθωσης δυσλειτουργιών του υπολογιστή, ανάλυσης της κίνησης δεδομένων σε ένα δίκτυο υπολογιστών κ.ά.

Λογισμικό Εφαρμογών Τα προγράμματα σχεδίασης, επεξεργασίας φωτογραφίας, βίντεο, εικόνων, ήχου και πολυμέσων. Τα προγράμματα αυτοματισμού γραφείου. Τα εκπαιδευτικά προγράμματα. Τα παιχνίδια. Οι φυλλομετρητές.

Βασικές Αρμοδιότητες Λ.Σ. Το Λειτουργικό Σύστημα (Λ.Σ.) είναι Λογισμικό (Software) που αποτελείται από τα απαραίτητα προγράμματα για την αξιοποίηση του Υλικού (Hardware) και τη λειτουργία του Η/Υ. Οι βασικές αρμοδιότητες του Λ.Σ. είναι: Να λειτουργεί ως ενδιάμεσος (Διεπαφή ή αλλιώς Interface) ανάμεσα στον άνθρωπο και στη μηχανή. Να διαχειρίζεται τις δυνατότητες και τους πόρους (resources) του Η/Υ, ώστε να παράγεται χρήσιμο έργο.

Βασικές Λειτουργίες Λ.Σ.

Βασικές Λειτουργίες Λ.Σ. (1) Μεταφέρει εντολές ή απαιτήσεις του χρήστη στον Η/Υ. Δίνει χρήσιμες πληροφορίες για την κατάσταση του συστήματος, μεταφέρει μηνύματα του Η/Υ προς τον χρήστη για λάθη ή προβλήματα Διαχειρίζεται την Κεντρική Μνήμη (RAM) του συστήματος. Ενεργοποιεί και δίνει οδηγίες στην ΚΜΕ κατανέμοντας το χρόνο λειτουργίας της στους χρήστες, αν το σύστημα είναι πολλών χρηστών (multiuser).

Βασικές Λειτουργίες Λ.Σ. (2) Διαχειρίζεται τις συσκευές εισόδου και εξόδου, ελέγχοντας τη ροή των δεδομένων και την έξοδο των πληροφοριών. Οργανώνει και διαχειρίζεται τα αρχεία του συστήματος. Ελέγχει την εκτέλεση των προγραμμάτων των χρηστών. Εφαρμόζει μηχανισμούς ασφάλειας του Η/Υ.

Δομή ενός Συστήματος Υπολογιστή Τα σύγχρονα Λ.Σ. έχουν την παρακάτω οργάνωση Τα κυριότερα μέρη που απαρτίζουν το Λ.Σ. είναι ο Πυρήνας (Kernel) που αναλαμβάνει το χειρισμό της μηχανής, οι Διεπαφές Χρήστη (User Interfaces) που αναλαμβάνουν την επικοινωνία με το χρήστη και αρκετά βοηθητικά προγράμματα που βοηθούν στη διαχείριση του συστήματος και στην επεξεργασία των δεδομένων (Utilities).

Δομή ενός Λ.Σ. Τα περισσότερα ΛΣ, και ιδιαίτερα τα σύγχρονα, είναι οργανωμένα σε επίπεδα (layers). Αυτό σημαίνει ότι κατά τη σχεδίασή τους έχουν διαιρεθεί σε τμήματα, και κάθε τμήμα τους επικοινωνεί μόνο με αυτά που βρίσκονται στο αμέσως ανώτερο ή το αμέσως κατώτερο επίπεδο. Όσα τμήματα χρησιμοποιούν απευθείας το υλικό του υπολογιστή, βρίσκονται στο κατώτερο επίπεδο του ΛΣ. Τα υπόλοιπα τμήματα, που βρίσκονται σε ανώτερα επίπεδα, δεν επικοινωνούν καθόλου με το υλικό, αλλά χρησιμοποιούν τα τμήματα που ανήκουν στο αμέσως κατώτερο επίπεδο.

Σχήμα Οργάνωσης Λ.Σ. σε επίπεδα

Οργάνωση Λ.Σ. σε επίπεδα Στο προηγούμενο σχήμα φαίνεται ένα παράδειγμα οργάνωσης ΛΣ σε επίπεδα. Η οργάνωση είναι ενδεικτική, γιατί υπάρχουν πολλές παραλλαγές, αλλά η βασική φιλοσοφία είναι κοινή. Στο χαμηλότερο επίπεδο ανήκουν τα τμήματα του ΛΣ που διαχειρίζονται: τη μνήμη τα υπό εκτέλεση προγράμματα τις λειτουργίες επικοινωνίας με τις περιφερειακές συσκευές. Οι λειτουργίες αυτές αποτελούν το κάτω τμήμα των οδηγών συσκευών Ε/Ε (device drivers), ειδικών τμημάτων που αναλαμβάνουν την επικοινωνία με τα περιφερειακά.

Οργάνωση Λ.Σ. σε επίπεδα Στο αμέσως ανώτερο επίπεδο βρίσκεται το άνω τμήμα των οδηγών Ε/Ε και πάνω από αυτό βρίσκεται το επίπεδο που κάνει τη διαχείριση του συστήματος αρχείων. Τα προγράμματα των χρηστών επικοινωνούν μόνο με το υψηλότερο επίπεδο σε ένα ΛΣ, που αποτελείται από τη διεπαφή χρήστη (user interface) και τις κλήσεις συστήματος. Η διεπαφή με το χρήστη μπορεί να γίνεται είτε με εντολές, με το διερμηνέα εντολών (command interpreter), ή με μία διεπαφή χρήστη με χρήση γραφικών (Graphical User Interface, GUI). Παρατηρούμε ότι και το ΛΣ έχει ιεραρχική οργάνωση.

Πυρήνας (Kernel) του Λ.Σ. Το πιο χαμηλό επίπεδο του Λ.Σ. που χειρίζεται τη φυσική μηχανή είναι ο Πυρήνας (Kernel) του Λ.Σ. Όταν ξεκινάει ο Η/Υ, ο Πυρήνας φορτώνεται πρώτος στην κύρια μνήμη και παραμένει εκεί συνέχεια, μέχρι ο Η/Υ να σταματήσει. Ο Πυρήνας είναι αυτός που χειρίζεται το υλικό του Η/Υ. Πως το χειρίζεται; Με κάποια ηλεκτρονικά σήματα που ονομάζονται «Διακοπές» (Interrupts). Όποτε αρχίζει ή τελειώνει κάποια εργασία της μηχανής, το υλικό στέλνει κάποια διακοπή. Ο Πυρήνας αναγνωρίζει αυτή την διακοπή και εκτελεί την αντίστοιχη ρουτίνα χειρισμού. Έτσι, έχουμε ένα πρόγραμμα που αντιλαμβάνεται και αντιδρά στα σήματα (signals) της μηχανής.

Η διεπαφή χρήστη (User Interface) Το Λ.Σ. επικοινωνεί με τους χρήστες μέσα από ένα πρόγραμμα που λέγεται Διερμηνευτής Εντολών (Command Interpreter) ή αλλιώς Φλοιός (Shell). Το πρόγραμμα αυτό αναλαμβάνει την ερμηνεία των εντολών του χρήστη και την αποστολή τους στα «βαθύτερα» μέρη του Λ.Σ. για εκτέλεση. Στο MS-DOS ο Διερμηνευτής Εντολών είναι το αρχείο Command.com, ενώ στο UNIX είναι το sh. Στα νεότερα συστήματα Windows η επικοινωνία με το χρήστη γίνεται μέσα από τη Γραφική Διεπαφή Χρήστη (Graphical User Interface ή σύντομα GUI), που επιτρέπει στο χρήστη να δίνει εντολές με το χειρισμό του ποντικιού.

Γραφικό Περιβάλλον Επικοινωνίας Το Γραφικό Περιβάλλον Επικοινωνίας (Graphical User Interface, GUI) εμφανίζεται στα τέλη της δεκαετίας του 80 και έχει γίνει πλέον ο βασικός μηχανισμός επικοινωνίας με τον υπολογιστή. Βασικά στοιχεία του είναι τα εξής: 1. Η χρήση περιβάλλοντος γραφικών και όχι απλής γραμμής κειμένου (γραμμής εντολών). 2. Η χρήση «παραθύρων» εντός των οποίων μπορούν να εκτελούνται εφαρμογές, τα οποίας έχουν έναν καθορισμένο τρόπο εμφάνισης και χειρισμού. 3. Ύπαρξη μιας «επιφάνειας εργασίας» στην οποία μπορούν να υπάρχουν τα παράθυρα των εκτελούμενων εφαρμογών καθώς και εικονίδια που αντιστοιχούν σε εφαρμογές, αρχεία και φακέλους.

Γραφικό Περιβάλλον Επικοινωνίας 4. Πλήρης έλεγχος μέσω συσκευών κατάδειξης (π.χ ποντίκι, light pen, touch pad, οθόνη αφής). Ο χρήστης μπορεί να εκκινήσει και να τερματίσει εφαρμογές, να αλλάξει θέση και μέγεθος στα παράθυρα και γενικά να προκαλεί «γεγονότα» (π.χ πάτημα πλήκτρου ποντικιού, τοποθέτηση δείκτη ποντικιού σε μια περιοχή, κ.ά) τα οποία διαχειρίζονται από το ΛΣ και οδηγούνται προς τις αντίστοιχες εφαρμογές για έλεγχο και ανταπόκριση. 5. Δυνατότητα ύπαρξης μιας περιοχής όπου υπάρχει ένα «μενού» των εφαρμογών. 6. Δυνατότητα ύπαρξης μιας περιοχής όπου εμφανίζονται (σε μορφή εικονιδίων) οι εφαρμογές που εκτελούνται και διάφορες άλλες πληροφορίες (π.χ ώρα).

Παραδείγματα Windows Ubuntu

Πολυπρογραμματισμός Αν ένα Λ.Σ. μπορεί να εκτελεί «ταυτόχρονα» περισσότερα από ένα προγράμματα, του ίδιου ή πολλών χρηστών, τότε λέμε ότι είναι σύστημα Πολυπρογραμματισμού (Multiprogramming). Ένα σύστημα που μπορεί να εξυπηρετεί ταυτόχρονα περισσότερους από έναν χρήστη ονομάζεται Σύστημα Πολλών Χρηστών (Multiuser). Στην αντίθετη περίπτωση το σύστημα ονομάζεται Σύστημα Ενός Χρήστη (Single User System). Πλεονέκτημα του πολυπρογραμματισμού είναι ότι μειώνεται ο συνολικός χρόνος εκτέλεσης των προγραμμάτων, λόγω καλύτερης αξιοποίησης των πόρων του συστήματος. Μειονέκτημα η πολυπλοκότητα του Λ.Σ. για να μπορεί να τον υποστηρίξει.

Πολυδιεργασία (Multitasking) Όταν ένα Λ.Σ. μπορεί να εκτελεί «ταυτόχρονα» περισσότερες από μια εργασίες λέμε ότι έχουμε ένα σύστημα Πολυδιεργασίας (Multitasking System). Αυτό επιτυγχάνεται δίνοντας τη δυνατότητα στο Λ.Σ. ή/και στο χρήστη να χωρίζει τις απαιτήσεις σε προγράμματα ή εργασίες (processes ή tasks) που μπορούν να προχωρούν παράλληλα, π.χ. εκτυπώσεις και υπολογισμοί. Η Πολυδιεργασία αυξάνει την παραγωγικότητα του συστήματος και την παραγωγικότητα του χρήστη. Η παραγωγικότητα του συστήματος αυξάνεται, γιατί το σύστημα μπορεί να δουλεύει στο παρασκήνιο χρήσιμες διεργασίες. Η παραγωγικότητα του χρήστη αυξάνεται, γιατί μπορεί να τρέχει ταυτόχρονα πολλές εφαρμογές, αλληλεπιδρώντας ακόμα από τη μια στην άλλη.

Κατηγορίες Λ.Σ. Ανάλογα με τον αριθμό των χρηστών που υποστηρίζουν διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Ενός Χρήστη (Single User) Windows 95/98/2000, MS-DOS Πολλών Χρηστών (Multiuser) Windows NT/2000/2003/2008 Server UNIX, LINUX

Κατηγορίες Λ.Σ. Τα Λ.Σ. χαρακτηρίζονται και από τον τύπο της επεξεργασίας πληροφοριών που μπορούν να υποστηρίξουν. Έτσι, διακρίνουμε τους παρακάτω τύπους: Κατά Δέσμες (Batch) Συναλλαγών (Transaction) Διαλογική ή Αλληλεπιδραστική (Interactive) Καταμερισμού Χρόνου (Time Sharing) Πραγματικού Χρόνου (Real Time) Κατανεμημένη (Distributed) Άνευ Παύσης (Non-Stop) Πελάτη-Εξυπηρετητή (Client-Server)

Ιστορική Εξέλιξη των ΛΣ 1 Η ιστορική εξέλιξη των ΛΣ ακολούθησε την εξέλιξη της αρχιτεκτονικής των υπολογιστών. Για το λόγο αυτό τα ΛΣ μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε γενιές αντίστοιχες με τις γενιές των υπολογιστών όπως αναφέρεται παρακάτω: 1η Γενιά (1945-1955): Η/Υ χωρίς ΛΣ Ουσιαστικά οι πρώτοι υπολογιστές δεν είχαν Λειτουργικό Σύστημα. Αντ αυτού οι χρήστες, οι οποίοι ήταν εξειδικευμένοι επιστήμονες προγραμματιστές, έπρεπε να προγραμματίσουν την κάθε εργασία σε γλώσσα μηχανής ή ακόμα και με φυσικό χειρισμό διακοπτών.

Ιστορική Εξέλιξη των ΛΣ 2 2η Γενιά (1955 1965) Με την ανακάλυψη και χρήση των τρανζίστορς (κρυσταλλοτρίοδοι) τα οποία αντικατέστησαν τις λυχνίες στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές υπήρξε μια πρώτη μείωση του όγκου και αύξηση της λειτουργικότητας τους. Η ανάθεση εργασιών μπορεί να γίνει πλέον με χρήση διάτρητων καρτών το περιεχόμενο των οποίων περνούσε σε μαγνητικές ταινίες και από εκεί στη μνήμη του υπολογιστή ακολουθώντας μια αντίστροφη πορεία κατά την έξοδο των αποτελεσμάτων. Η χρήση των υπολογιστών συνεχίζει να απαιτεί εξειδίκευση και πολλές γνώσεις.

Ιστορική Εξέλιξη των ΛΣ 3 3η Γενιά (1965 1980) Επινοούνται έννοιες όπως ο πολυπρογραμματισμός (multiprogramming) και η πολυδιεργασία (multitasking) που αναφέρονται στη δυνατότητα να συνυπάρχουν στη μνήμη και να εκτελούνται σταδιακά πολλά προγράμματα ή διεργασίες του ίδιου προγράμματος. Δημιουργούνται γλώσσες υποβολής εργασιών (Job Control Languages) και εμφανίζονται επίσης τερματικά για ευκολία στην διεπαφή και απομακρυσμένη πρόσβαση. Ο χρόνος μπορεί πλέον να διαμοιραστεί σε πολλούς χρήστες οι οποίοι είναι ταυτόχρονα συνδεδεμένοι. Δημιουργείται το πρώτο UNIX σύστημα που καινοτομεί καθώς υπάρχει διαθέσιμο για διαφορετικούς τύπους υπολογιστών. Σαν περιβάλλον διεπαφής με τον χρήστη υπάρχουν πλέον οι διερμηνευτές εντολών.

Ιστορική Εξέλιξη των ΛΣ 4 4η Γενιά (1980 1990) Το σημαντικό στοιχείο εδώ είναι η εμφάνιση των πρώτων προσωπικών υπολογιστών (IBM PC και συμβατά) οι οποίοι έχουν ως ΛΣ το MS-DOS της Microsoft. Παράλληλα υπάρχουν τα μεγάλα υπολογιστικά συστήματα (mainframes) που κάνουν χρήση κυρίως του UNIX, αλλά και τα Macintosh της APPLE με το MAC-OS ως το Λειτουργικό Σύστημα με τις πρώτες χρήσεις γραφικού περιβάλλοντος επικοινωνίας. Έννοιες όπως η φιλικότητα προς τον χρήστη αποκτούν σημασία και επιβάλλουν την ολοένα και μεγαλύτερη χρήση γραφικών. Αυτή τη περίοδο εμφανίζονται και τα λειτουργικά συστήματα δικτύου υπολογιστών (NOVELL).

Ιστορική Εξέλιξη των ΛΣ 5 5η Γενιά (1990 σήμερα) Η ταχύτατη εξέλιξη της τεχνολογίας τόσο στο υλικό όσο και στο λογισμικό και η ανάπτυξη των δικτύων οδηγούν τις εξελίξεις. Προσωπικοί υπολογιστές αρχικά και προσωπικές έξυπνες συσκευές τα τελευταία χρόνια αποκτούν τεράστιες υπολογιστικές ικανότητες σε σύγκριση με τους υπολογιστές της 4ης γενεάς. Τα λειτουργικά συστήματα εξελίσσονται και ενσωματώνουν τα περισσότερα από τα γνωρίσματα που έχουν σήμερα (φιλικότητα, πολυπρογραμματισμό, πολυχρησία, δικτύωση, ασφάλεια). Συστήματα πελάτηεξυπηρετητή είναι το βασικό μοντέλο που ακολουθείται με κατάληξη τα σημερινά συστήματα νέφους (cloud computing) με χρήση του διαδικτύου.

Λειτουργικά Συστήματα 5 ης γενιάς

Ερωτήσεις Ποιες είναι οι βασικές αρμοδιότητες ενός Λ.Σ.; Ποια είναι η δομή των σύγχρονων Συστημάτων Υπολογιστών; Ποια είναι η διαφορά ανάμεσα στον Πολυπρογραμματισμό (Multiprogramming) και την Πολυδιεργασία (Multitasking); Τι είναι ένα σύστημα Πολλών Χρηστών (Multiuser); Τι είναι ένα σύστημα Πολυδιεργασίας (Multitasking System); Σε ποια κατηγορία Λ.Σ. ανήκει το MS-DOS και σε ποια το UNIX; Ανάλογα με τον τύπο της επεξεργασίας πληροφοριών που μπορούν να υποστηρίξουν, αναφέρετε πέντε (5) κατηγορίες Λ.Σ. Περιγράψτε την οργάνωση επιπέδων ενός ΛΣ.

Άσκηση Δημιουργήστε ομάδες των 3-4 ατόμων και συζητήστε τα παρακάτω: Α) Ποιο είναι το έργο ενός Λειτουργικού Συστήματος; Τι θα γινόταν αν δεν υπήρχαν Λ.Σ.; Β) Κάντε (ανά ομάδα) ένα βασικό σχήμα οργάνωσης επιπέδων των Λειτουργικών Συστημάτων και συζητήστε τα πλεονεκτήματα αυτής της οργάνωσης.