Käyttöjärjestelmät

1. Voit lisätä yrityksen logon tähän diaan. • Valitse Lisää. • Valitse Kuva. • Etsi yhtiön logon sisältävä tiedosto. • Valitse OK. • Voit muuttaa logon kokoa • Napsauta logon sisäpuolella. Logon ulkopuolelle tulevat ruudut ovat koonmuuttokahvoja. • Voit muuttaa objektien kokoa näiden avulla. • Jos pidät VAIHTONÄPPÄINTÄ alhaalla samalla, kun vedät koonmuuttokahvasta, objektin mittasuhteet säilyvät samoina, vaikka objektin koko muuttuu. Käyttöjärjestelmät Juhani Heikkinen Kymenlaakson ammattikorkeakou Käyttöjärjestelmät

2. Opetussuunnitelma Tavoitteet • Käyttöjärjestelmien toiminnan ymmärtäminen • Linux-ympäristön tuntemus Toteutus • Luennot 2h/vko + harjoittelu(Linux) 2h/vko + seminaarityöt Materiaali - Ilkka Haikala: TTKK:n pruju -(Stallings: Operating Systems) Käyttöjärjestelmät

3. …ops jatkuu Suoritustapa • Teoriakoe (Haikala) • Linux-koe • Esitys • 1-2 henkilöä • Aihe-ehdotukset annetaan melko pian kurssin alettua • Laajuus noin 15 min Käyttöjärjestelmät

4. Johdanto • Käyttöjärjestelmän päätehtävänä on toimia liitäntänä sovellusohjelman ja laitteiston välillä • Käyttöjärjestelmän tarjoamia palveluja: • ohjelmien suoritus, oheislaitteiden ohjaus, muistinhallinta, resurssien jakaminen, ohjelmien suojaus jne. Käyttöjärjestelmät

5. Tietokonejärjestelmienarkkitehtuuri Käyttöjärjestelmät

6. ..Arkkitehtuuriratkaisuja • CISC (Complicated Instruction Set Computers) • Merkittävä osa käyttöjärjestelmän toiminnoista laitteistotasolle • RISC (Reduced Instruction Set Computer) • Suoritin yksinkertainen ja tehokas, monimutkaiset asiat käyttöjärjestelmätasolla Käyttöjärjestelmät

7. KJ:n kehittyminen: Sukupolvi 0: Ei KJ:ää • Von Neumann -arkkitehtuuri: • Laitteisto koostuu muistista ja suorittimesta Käyttöjärjestelmät

8. Käyttöjärjestelmät

9. Sukupolvi 1: Yksiajokäyttöjärjestelmät • Eräajokäyttöjärjestelmä Käyttöjärjestelmät

10. Yksiajo-KJ:n tarpeita • KJ halutaan levylle => tarvitaan tiedostojärjestelmä • Suojaus virhetilanteilta -Esim. Yritys viitata käyttöjärjestelmän alueelle (ratkaisu: FENCE-rekisteri KJ:n ja käyttäjän muistialueiden välille) • Jotta käyttäjä ei pääse muuttamaan FENCE-rekisterin arvoa, tarvitaan yhden bitin rekisteri USER_MODE(Kun True, SET_FENCE-käsky ei ole sallittu) Käyttöjärjestelmät

11. …tarpeita • Sovellus voi käyttää oheislaitteita vain kutsumalla käyttöjärjestelmän aliohjelmia => Määritellään käskyt SVC (Supervisor Call) ja RETI (Return from Interrupt) • Suoritinajan valvontaa varten liitetään järjestelmään kello, jonka sisällöstä vähennetään yksi tasaisin aikavälein. Kellon nollautuessa suoritus pakotetaan siirtymään käyttöjärjestelmään (kellokeskeytys) Käyttöjärjestelmät

12. Kohti 2. sukupolvea • Otetaan käyttöön Spooling-järjestelmä (Simultaneous Peripheral Operation On Line) => sisäänluku ja tulostaminen puskuroidaan => töiden lomittuminen • Lisäksi tarvitaan I/O-keskeytys: kun luku tai kirjoitus on seuraavassa vaiheessa, jossa tarvitaan KJ:ää, KJ tallettaa suorittimen rekisterien sisällöt muistiin (ympäristön talletus, context save), suorittaa pyydetyn tehtävän ja palaa talletetun ympäristön mukaiseen suoritukseen • Myös muiden siirtymisten KJ:ään (SVC, virheet ja kello) voidaan sopia aiheuttavan ympäristön talletuksen • SVC-käskyillä aiheutetut keskeytykset = ohjelmoidut keskeytykset (programmed interrupts) • SVC- ja ohjelmavirheistä aiheutuvat keskeytykset = ohjelmistokeskeytykset (software interrupts) • I/O- ja kellokeskeytyksiä kutsutaan ulkoisiksi keskeytyksiksi (external interrupts) Käyttöjärjestelmät

13. Kehitystarpeita • Kiireellinentyö halutaan suoritukseen ennen kuin edellinen työ on päättynyt • Suoritettava työ keskeytetään, sen ympäristö talletetaan ja keskusmuistialue kopioidaan levylle. Kiireellinen työ otetaan suoritukseen (=irrottava skedulointi, pre-emptive scheduling) => Irrottavan skeduloinnin avulla voitaisiin toteuttaa myös yksinkertainen osituskäyttöjärjestelmä (monta päätekäyttäjää käyttää keskuskonetta yhtä aikaa) => toimintaa, jossa koko suoritettava ohjelma siirretään levylle, kutsutaan heittovaihdoksi (swapping) Käyttöjärjestelmät

14. Sukupolvi 2: Moniajokäyttöjärjestelmät • Vapaat resurssit otetaan käyttöön suorittamalla monta ohjelmaa samanaikaisesti. Suorituksessa oleva ohjelmaa kutsutaan prosessiksi • Keskusmuistissa voi olla yhtä aikaa monta prosessia = moniajokäyttöjärjestelmä (multiprogramming) • Lisätään ympäristön talletukseen USER_MODE ym suorittimen tilaa kuvaavat bitit (tilasanarekisteri, PSW processor status word) keskeytyneen käyttöjärjestelmärutiinin hallintaan Käyttöjärjestelmät

15. Lisätehtäviä... • Muistinhallinta vapaiden muistialueiden kirjanpitoon • Seuraavaksi suoritettavan prosessin valinta (prosessin skedulointi). Tehtävää suorittava käyttöjärjestelmän osaa kutsutaan vuorontajaksi • Prosesseille asetetaan prioriteetti, joka kuvaa prosessin kiireellisyyttä Käyttöjärjestelmät

16. Ohjelmakontrollin siirtymistä prosessista toiseen kutsutaan ympäristön vaihdoksi (context switch) Käyttöjärjestelmät

17. Sukupolvi 3 • Virtuaalimuisti: • Prosessin osoiteavaruus jaetaan osiin ja osat voivat sijaita eri puolilla keskusmuistia tai levyillä • Osituskäyttö mahdollista • Nykyiset suuret ja keskisuuret keskuskoneympäristöt Käyttöjärjestelmät

18. Sukupolvi 4 • Verkkokäyttöjärjestelmiä • pystyvät jakamaan resursseja (levyt, kirjoittimet, tiedonsiirtolinjat, päätteet jne.) dynaamisesti suuressakin tietokoneverkosa • Nykyiset käyttöjärjestelmät sisältävät piirteitä neljännestä sukupolvesta, mutta harvoin täyttävät kaikki em. ominaisuudet Käyttöjärjestelmät

19. Täydentäviä huomautuksia • Variointimahdollisuuksia • Rekisterirakenne esimerkissä (ARM suoritin): • 15 32 bitin yleisrekisteriä • Rekisteri 15 on ohjelmalaskuri (PC) • Suorittimen tilarekisteri • Vaihtoehto: ns. pinoarkkitehtuuri • Kaikilla rekistereillä oma käyttötarkoitus Käyttöjärjestelmät

20. Keskeytysjärjestelmä • Keskeytysten estäminen voi olla monitasoista. Esim. kullakin laitteella on oma keskeytysnumero • Muita laitteistopiirteitä • Etuoikeutettu vs. käyttäjän moodi • Etuoikeutettuja tiloja monentasoisia • Monisuoritinjärjestelmä (multiprocessing) Käyttöjärjestelmät

21. Yleistä KJ:n rakenteesta • KJ voidaan esittää myös esittää hierarkkisena koneena SOVELLUKSET SWAPPER ERÄAJOSKEDULERI VERKKO-OHJELMISTOT KOMENTOTULKKI TIEDOSTOJÄRJESTELMÄ MUISTINHALLINTA YDIN Käyttöjärjestelmät

22. Osa käyttöjärjestelmän tehtävistä voidaan myös korvata prosesseilla, joilla on erityisoikeuksia(erimerkiksi spooling, heittovaihtaminen, jne. Unixissa tällaisiä prosesseja kutsutaan demoneiksi=työhullu) • Proseduuriorientoitunut KJ: • palvelut suoritetaan kutsumalla ytimen palvelurutiineja aliohjelmakutsujen tapaan • Prosessiorientoinut KJ: • KJ koostuu joukosta palveluprosesseja, joilta KJ:n palveluja pyydetään sanomia välittämällä Käyttöjärjestelmät

23. Prosessiorientoituneen järjestelmän etuja: • prosessirakenne antaa KJ:lle selkeän modulaarisen rakenteen => muutokset helppoja • palveluprosessin virheiden vaikutuksia voidaan vähentää palveluprosessien oikeuksia rajoittamalla • priorisointi yksinkertaistuu -> prosessin prioriteettia ei tarvitse muuttaa käyttöjärjestelmäpalvelun ajaksi • prosessiorientuneita KJ:iä sanotaan mikroydin-KJ:ksi Käyttöjärjestelmät

24. Suurin osa nykyisistä KJ:stä proseduuriorientoituneita, koska sanomanvälitykseen liittyvä yleisrasite (overhead) on nykylaitteistoissa yleensä KJ-kutsun aiheuttamaa yleisrasitetta suurempi • proseduuriorientoituneita: Unix, Linux • prosessiorientoituneita: NT, uudemmat Unixit • Nykyinen suuntaus on, että ytimeen sijoitetaan mahdollisimman vähän operaatioita => luotettavuus, muunnettavuus Käyttöjärjestelmät