OPERATIVNI SISTEMI Pojam i principi rada operativnog sistema Evolucija operativnih sistema Vrste usluga koje obezbeđuje operativni sistem Upravljanje računarskim resursima 1
Operativni sistem Operativni sistem (OS), prema [1], u najopštijem smislu, je softver koji omogudava korisniku da pokrene druge aplikacije na računarskom uređaju. Iako je mogude da se softverska aplikacija direktno povezuje sa hardverom, velika vedina aplikacija je napisana za OS, što im omogudava da iskoriste zajedničke biblioteke, i ne brinu se o specifičnim detaljima hardvera. 2
Ciljevi operativnog sistema Kako je OS program koji kontroliše izvršenje aplikacionih programa i ponaša se kao interfejs između aplikacija i hardvera računara, on ima tri cilja: I. Udobnost. OS čini rad sa računarem udobnim. II. Efikasnost. OS omogudava da računarski sistem koristi resurse na efikasan način. III. Mogudnost evolucije OS. OS treba da je napravljen na takav način da omogudava efektivan razvoj, testiranje i uvođenje novih funkcionalnosti sistema bez ugrožavanja do sada postignutog. U nastavku se razmatraju detalji ovih ciljeva. 3
I Udobnost Neke od standardnih fukcionalnosti (na primer upravljanje fajlovima) za programe obezbeđuju servisi i biblioteke koje obezbeđuje operativni sistem. U ove standardne fukcionalnosti spada i komunikacija sa hardverom. Aplikacije se pišu u nekom programskom jeziku, i razvija ih programer. Zbog svoje kompleksnosti i raznolikosti hardvera programi se ne mogu pisati direktno u mašinskom jeziku. Umesto toga razvoj se vrši na nekom od programskih jezika višeg nivoa, a zatim se takve komande prevode na mašinski jezik u skladu sa operativnim sistemom i hardverom računara. Programer ima mogudnost da se osloni na servise (usluge), i biblioteke koje obezbeđuje operativni sistem. 4
I Udobnost (vrste usluga koje obezbeđuje OS) Hardver i softver dostupni korisniku se mogu predstaviti kao hijerarhija slojeva. Korisnik se u opštem slučaju ne interesuje za detalje hardvera, tako da je pogled korisnika ograničen najčešde na softverske komponente. Struktura računarskog hardvera i softvera [1] 5
Usluge operativnog sistema Razvoj programa. Razvojna okruženja, editori i debugger-i su programi koji pomažu korisnicima da planiraju, razvijaju, testiraju i isporučuju programe. Neki od ovih uslužnih programa dolaze kao deo operativnog sistema, a neki se dodatno instaliraju. Izvršenje programa. Više koraka je potrebno da se izvrši da bi se izvršio program. Instrukcije i podaci se moraju učitati u glavnu memoriju, I/O uređaji sa fajlovima moraju biti pripremljeni. Ovo su aktivnosti koje OS priprema za potrebe korisnika. 6
Usluge operativnog sistema Pristup I/O uređajima. Svaki I/O uređaj ima svoj jedinstven skup instrukcija i kontrolnih signala koje koristi pri operacijama. OS pruža uniformni interfejs koji od programera čuva kompleksnosti, i omogudava mu da operacije vrši jednostavnim komandama. Kontrolisani pristup fajlovima. Za pristup fajlovima OS mora imati detaljno poznavanje I/O uređaja, kao i strukturu podataka u fajlovima na medijumu. U situacijama kada na sistemu postoji više korisnika OS može omoguditi zaštitini mehanizam za prava pristupa fajlovima. 7
Usluge operativnog sistema Pristup sistemu. Za sisteme koji su deljeni ili javni OS kontroliše prava pristupa celom sistemu, kao i nekim njegovim delovima. Funkcija za kontrolu pristupu mora omoguditi zaštitu resursa i podataka od neautorizovanih korisnika, i mora obezbediti zaštitu od konflikata kod korišdenja zajedničkih resursa. Detekcija grešaka i odgovor na njih. Razni tipovi grešaka mogu da se jave na računarskom sistemu poput I/O grešaka, memorijskih grešaka, deljenja sa nulom u softveru... OS obezbeđuje odgovore na greške koji u najmanjoj meri ometa rad na OS. Ovaj odgovor može biti davanje obaveštenja korisniku, gašenje problematičnog programa, ponavljanje operacije... 8
Usluge operativnog sistema Statistika. Svaki dobar OS de skupljati informacije o radu poput vremena izvršenja pojedinih poslova. Ove informacije su bitne za dalje unapređenje OS. Na višekorisničkim sistemima ove informacije se mogu koristi i za finansijske obračune. Arhitektura skupa instrukcija (engl. Instruction set architecture) ISA. ISA definiše skup instrukcija u mašinskom jeziku koje računar može da izvrši. ISA je na granici između hardvera i softvera. I aplikativni i uslužni programi mogu da pristupe ISA direktno putem instrukcija koje su njima dostupne (user ISA). OS ima pristup nekim dodatnim instrukcijama koje su u vezi sa upravljanjem sistemskim resursima (system ISA). Na prethodnoj slici se može videti ISA. 9
Usluge operativnog sistema Aplikacijski binarni interfejs (engl. Application binary interface). ABI definiše standard za binarnu portabilnost kroz programe. ABI definiše sistemski interfejs za pozive u OS, i hardverske resurse i servise koji su dostupne na sistemu kroz user ISA. Aplikacioni programski interfejs (engl. Application programming interface) API. API daje programu pristup hardverskim resursima i servisima koji su dostupni na OS kroz user ISA. API nas snabdeva bibliotečkim klasama na visokom nivou. Sistemiski pozivi se najčešde ostvaruju kroz ovakve biblioteke. Na ovaj način aplikativni softver može da se izvršava na različitim konfiguracijama koje podržavaju isti API. 10
II. Efikasnost (OS kao menadžer resursa) Operativni sistem upravlja dostupnim resursima. Ove resurse može koristiti za pomeranje, skladištenje i obradu podataka, i za kontrolisanje različitih funkcionalnosti. Kada se posmatra upravljanje resursima. OS je taj koji kontroliše osnovne funcionalnosti. 11
OS kao kontrolni mehanizam U normalnim uslovima kontrolni mehanizan zamišljamo tako da su kontrolni i kontrolisani entitet razdvojeni na neki način. OS kao kontrolni mehanizam ima sledede specifičnosti: OS funkcioniše kao obični računarski softver, i izvršava ga procesor. OS često gubi kontrolu i zavisi od procesora kada de opet dobiti kontrolu. 12
OS i procesor OS šalje signale procesoru kada je potrebno da pristupi određenim resursima, istovremeno dok se izvršavaju neki drugi programi. OS ostavlja procesoru kontrolu kada procesor može da obavi neki posao, i zatim tu istu kontrolu dobija nazad. 13
OS kao menadžer resursa Operativni sistem kao menadžer resursa [1] Glavnim resursima upravlja OS. Ovde spadaju kernel i nucleus (najčešde korišdene funkcije OS). U ostatku glavne memorije se nalaze korisnički programi i podaci. Zajedno sa procesorom upravlja zauzedem memorije. OS odlučije o tome kada de program koristi I/O uređaje i ostale detalje. Procesor je takođe resurs i OS odlučuje koliko njegovog vremena, i koje jezgro de se odvojiti za potrebe kog programa. 14
III Mogudnost evolucije operativnog sistema Operativni sistemi su evoluirali kroz više faza: 1. Serijska obrada (engl. Serial Processing) 2. Jednostavni šaržni sistemi (engl. Simple Batch Systems) 3. Multiprogramirani šaržni sistemi (engl. Multiprogrammed Batch Systems) 4. Sistemi sa deljenim vremenom (engl. Time-sharing systems) 5. Distribuirani operativni sistem 6. Mrežni operativni sistem 7. Operativni sistemi realnog vremena 15
1. Serijska obrada Od kasnih 1940tih do sredine 1950tih nisu postojali operativni sistemi, i programer je direktno komunicirao sa hardverom, gde su se mogle videti lampe, prekidači, štampač... Ulaz su predstavljali čitači kartica, a greške su bile prijavljivane putem lampica. Izlaz je tipično bio realizovan putem štampača. 16
1. Serijska obrada Ti rani sistemi imali su dva osnovna problema: Planiranje. Uglavnom se koristili fizički list za rezervaciju računarkog vremena. Ako bi korisnik prijavio svoj rad na primer na sat vremena on je ili upadao u problem ako mu ponestane vremena, ili se trošilo vreme računara ako se posao ranije završi. Vreme pripreme. Jedan program po imenu job bi trošio vreme za učitavanje kompajlera, a zatim i na učitavanje izornog programa u memoriju, zatim za čuvanje kompajliranog programa... U slučaju greške sve se moralo ponovo raditi, tako da je previše vremena trošeno samo za postavljanje programa da dođe u stanje da radi. Ovaj režim rada je nazvan serijskom obradom. Tokom vremena različiti softverski alati su razvijeni u cilju da se ova serijska obrada učini više efikasnom. 17
2. Jednostavni šaržni sistemi Da bi se poboljšala upotrebljivost procesora razvijen je operativni sistem. Prvi je razvijen sredinom 1950-ih od strane General Motors za upotrebu na IBM 701. Sadrži jednostavnu šemu za obradu šarže koja uključuje korišdenje monitora: Korisnik više nema direktan pristup procesoru. Posao na karticama/trakama dodeljen je računarskom operateru. Računarski operater započinje poslove sekvencijalno i stavlja celu seriju na ulazni uređaj. Svaki program nakon završetka obrade vrada kontrolu nazad na Monitor. Monitor automatski počinje da učitava slededi program. 18
2. Jednostavni šaržni sistemi Monitor kontroliše redosled događaja. Uvek je u glavnoj memoriji i dostupan za izvršenje (rezidentni monitor). Uslužni programi i uobičajene funkcije - učitani su kao podprogrami Memorijski sloj za rezidentni monitor [1] 19
2. Jednostavni šaržni sistemi Monitorom se poboljšava planiranje i vreme pripreme. Planiranje: Serija poslova je stavljena u red. Poslovi se izvršavaju što je mogude brže. Nema vremena mirovanja. Vreme pripreme: Sa svakim poslom instrukcije su uključene u jezik kontrole posla (JCL). Poseban tip programskog jezika. Daje uputstva monitoru Koji kompajler treba koristiti. Koje podatke koristiti. 20
2. Jednostavni šaržni sistemi Hardverske karakteristike Zaštita memorije Ne dozvoljava menjanje u memorijskoj oblasti koja sadrži monitor. Tajmer Sprečava da posao monopolizuje sistem. Podešava se na početku svakog posla. Ako ističe, korisnički program je zaustavljen. Kontrola se vrada monitoru. Privilegovane instrukcije Određene instrukcije na nivou mašinskog jezika mogu biti izvršene jedino od strane monitora, a korisnički program za I/O operacije mora tražiti monitor. Prekidi Raniji modeli računara nisu imali ovaj kapacitet. 21
2. Jednostavni šaržni sistemi Zaštita memorije Načini rada su bili u dva moda: korisnički i sistemski (kernel). Korisnički program se izvršava u korisničkom režimu, pri tome određene instrukcije se ne mogu izvršiti Monitor se izvršava u sistemskom režimu: Režim kernela. Izvršene su privilegovane instrukcije. Može se pristupiti zaštidenim područjima memorije. 22
2. Jednostavni šaržni sistemi Procesorsko vreme Vreme procesora se deli između izvršavanja korisničkog programa i izvršenja monitora. Dve žrtve: Nešto glavne memorije je angažovano za potrebe monitora. Neko vreme procesora se troši na monitor. Uprkos tome, iskorišdenost je poboljšana. 23
3. Multiprogramirani šaržni sistemi Veliki problem je što su I/O uređaji mnogo sporiji od procesora, te je procesor prinuđen da čeka dugo da bi se I/O instrukcije izvršile, pre nego on dobije priliku da izvrši obradu. U primeru sa slike vidi se da je vreme upotrebe procesora samo3,2 %, dok ostatak vremena miruje. Ovo je vrlo neefikasno! Primer upotrebe sistema [1] 24
3. Multiprogramirani šaržni sistemi Uvođenjem multiprogamiranja /multitaskinga postiže se mnogo veda efikasnost nego kod uniprogramiranja, što se može videti iz datog primera. Multiprogramiranje sa tri programa [1] 25
3. Multiprogramirani šaržni sistemi Tabela Atributi programa iz primera Tabela Efekti multiprogramiranja na iskorišdenje resursa 26
3. Multiprogramirani šaržni sistemi Multiprogramirani šaržni sistemi moraju imati odgovarajude hardverske osobine. Najvažnija unapređenja se odnose na uvođenje hardvera koji podržava I/O prekide i DMA. Na taj način mogude je da kontroler preuzme I/O aktivnosti dok se procesor bavi drugim poslovima. Kada se I/O aktivnost završi procesoru se šalje signal prekida, OS obrađuje I/O aktivnost, i zatim predaje kontrolu narednom poslu. 27
4. Sistemi sa deljenim vremenom Koristi se multiprogramiranje, a procesor se deli između više korisnika, koji pristupaju sistemu kroz terminale. OS preplic e izvršenje svakog korisničkog program u kratkom rasponu ili kvantu računanja. Šaržno multiprogramiranje nasuprot deljenja vremena [1] 28
4. Sistemi sa deljenim vremenom Deljenje vremena i multiprogramiranje imaju sledede probleme: Ako postoji više programa u memoriji, onda oni moraju biti zaštideni od međusobnog delovanja u smislu da jedan posao modifikuje podatke drugog posla. Ako postoji više interaktivnih korisnika, fajl sistem mora biti zaštiden tako da samo autorizovani korisnici imaju pristup pojedinim fajlovima. Takmičenje za resurse (štampači, hard diskovi...) mora biti regulisano. 29
5. Distribuirani operativni sistem Distribuirani sistemi koriste višestruke procesore koji opslužuju više aplikacija u realnom vremenu i više korisnika. Poslovi obrade podataka se distribuiraju između procesora. Procesori komuniciraju jedni s drugima preko različitih komunikacionih linija (na primer magistralom). To su labavo spojeni sistemi ili distribuirani sistemi a procesori se mogu se razlikovati po veličini i funkciji, često se nazivaju čvorovima. Distribuirani operativni sistem (DOS) [2] 30
5. Distribuirani operativni sistem - karakteristike Sa mogudnošdu za deljenje resursa, korisnik na jednom čvoru može biti u mogudnosti da koristi resurse dostupne u drugom. Ubrzana razmena podataka jednih s drugima putem poruka. Ako jedan čvor ne uspe u distribuiranom sistemu, preostali čvorovi mogu potencijalno nastaviti sa radom. Bolja usluga za korisnike. Smanjenje opteredenja na glavnom računaru. Smanjenje kašnjenja u obradi podataka. 31
6. Mrežni operativni sistem Mrežni operativni sistem radi na serveru i pruža serveru moguc nost upravljanja podacima, korisnicima, grupama, sigurnošdu, aplikacijama i drugim mrežnim funkcijama. Primarna svrha mrežnog operativnog sistema je deljenje pristupa datotekama i štampačima između više računara u mreži, obično u lokalnoj mreži (LAN), privatnoj mreža ili drugim mrežama. Primeri mrežnih operativnih sistema: Microsoft Windows Server 2003, Microsoft Windows Server 2008, UNIX, Linux, Mac OS X, Novell NetWare, i BSD. 32
6. Mrežni operativni sistem - karakteristike Prednosti Centralizovani serveri su veoma stabilni. Sigurnošću upravlja serverom. Nadogradnja na nove tehnologije i hardver može da se lako vrši. Daljinski pristup serverima je moguc sa različitih lokacija i tipova sistema. Nedostaci: Visoka cena kupovine i pokretanja servera. Zavisnost od centralne lokacije za vec inu operacija. Potrebno je redovno održavanje i ažuriranje. 33
7. Operativni sistemi realnog vremena On je definisan kao sistem za obradu podataka u kome je vremenski interval potreban za obradu i odgovaranje na ulazne podatke toliko mali da kontroliše okruženje. Vreme koje sistem mora da odgovori na ulaz i prikaz potrebnih ažuriranih informacija naziva se vreme odgovora. Vreme odgovora je mnogo manje u odnosu na online obradu. Sistemi u realnom vremenu se koriste kada postoje rigidni vremenski zahtevi za rad procesora ili protok podataka, a sistemi u realnom vremenu mogu se koristiti kao kontrolni uređaj u namenskoj aplikaciji. Operativni sistem u realnom vremenu mora imati dobro definisana vremenska ograničenja. Primeri: industrijski kontrolni sistemi, roboti, sistemi kontrole letenja itd. 34
7. Operativni sistemi realnog vremena Postoje dva tipa: Čvrsti. Garantuju da se kritični zadaci završavaju na vreme. U tvrdim sistemima u realnom vremenu sekundarno skladištenje je ograničeno, ili nedostaje i podaci se čuvaju u ROM-u. U ovim sistemima virtuelna memorija skoro nikada nije u upotrebi. Meki. Manje restriktivni. Kritički problem u realnom vremenu dobija prioritet nad drugim zadacima i zadržava prioritet dok se ne završi. Meki sistemi u realnom vremenu imaju manju korisnost od tvrdih sistema u realnom vremenu. Na primer, multimedija, virtuelna stvarnost, napredni naučni projekti kao što su podvodna istraživanja i planetarni roveri itd... 35
Literatura 1. Stallings, William, and Goutam Kumar Paul. Operating systems: internals and design principles. Pearson, 2012. 2. Quora, https://www.quora.com/what-isdistributed-operating-system 36