slides3.pdf April 15,

Transcriptie

1 Wat is een Operating System? CSN CS3 OS structuur en File management Standaard verzameling software voor een computer Besturing/beheer van de computer Gemak voor schrijvers van programma s Standaarden voor apparatuurbesturing Maakt samenwerking tussen verschillende programma s mogelijk Bescherming tussen gebruikers/programma s Piet van Oostrum 15 april 2002 CSN-CS3 1 CSN-CS3 1 Onderdelen van O.S O.S. Interfaces Besturing randapparaten (device drivers) Memory management Beheer van andere hulpbronnen (bijv. CPU tijd) Bescherming File management Opstarten/stoppen van programma s Communicatie tussen programma s Tijdsbeheer Netwerkfuncties Grafische functies Handige bibliotheken en programma s CSN-CS3 2 Hoe worden de functies van het O.S. gebruikt? 1. Allerlei functies uit het O.S. kunnen vanuit programma s aangeroepen worden met system calls lezen en schrijven van files timers starten en stoppen van programma s netwerkdiensten 2. Gebruikersinteractie (shell) grafische shell tekstgeorienteerde shell (command line) Shells zijn meestal gewone gebruikersprogramma s 3. Diverse andere programma s CSN-CS3 3 Besturing randapparatuur Synchronisatie device driver device driver = de software voor het besturen van een apparaat. opdracht Meestal in system mode Vanuit het O.S. ontvangt de driver opdrachten (read, write, control) De driver bestuurt de interface met INP, OUT of memory-mapped I/O wacht driver aanvrager Interrupt routines signaleren dat een operatie klaar is, of een volgend deel gestart kan worden. interrupt Hier zit een potentieel synchronisatieprobleem. ga door programma programma driver CSN-CS3 4 CSN-CS3 5 slides3.pdf April 15,

2 Resource management Abstractie In een O.S/computer zitten veel hulpbronnen die door een aantal programma s of gebruikers gezamenlijk gebruikt kunnen worden Geheugen gebruik van CPU schijfruimte printer/netwerkaansluiting Het O.S. moet dit regelen (politie-agent): Beheer (wie heeft wat in gebruik?) Synchronisatie scheduling (wie mag wanneer?) Het O.S. geeft een abstract beeld van: De computer De apparatuur De software componenten voorbeelden: abstracte randapparaten virtueel geheugen file systeem virtuele machine Voordelen: Abstracte machines zijn simpeler dan de echte Nieuwe ontwikkelingen makkelijk inpassen Virtualisatie: doe net alsof iets bestaat uitwisselbaarheid CSN-CS3 6 CSN-CS3 7 Concurrency Kenmerken van een proces Concurrency = het (min of meer) gelijktijdig uitvoeren van verschillende activiteiten op de computer Bij een multiprocessor systeem: echte concurrency Anders: virtuele concurrency Basis concurrency komt voort uit interrupts O.S. levert op gebruikersniveau concurrency door processen Proces = onafhankelijke executie (draaien) van een programma Ook nodig om te kunnen stoppen, resource beheer, bescherming. eigen stuk (virtueel) geheugen eigen resources eigen machineregisters CPU toewijzing protectie = eigen virtuele machine CSN-CS3 8 CSN-CS3 9 aanroepen van O.S. diensten TRAP interrupt routine Procedure/functie-aanroep in het O.S. Nadeel: geen bescherming (user/system mode) Voordeel: snel, simpel Speciale system call instructie push param1 push param2 move code, R1 TRAP system mode bescherming tegen programmafouten ook langzamer switch (R1): { case 1: /* code voor syscall 1 */ case 2: /* code voor syscall 2 */ etc... default: /* error: verkeerde code */ } keer terug naar het proces (RTI) Iedere syscall controleert de parameters CSN-CS3 10 CSN-CS3 11 slides3.pdf April 15,

3 O.S. kernel Microkernel O.S. Het centrale deel van het O.S. dat in system mode draait wordt vaak kernel genoemd system call interface device drivers process management... Sommige O.S. hebben alle O.S. in één kernel (Unix) = Macro-kernel O.S. Nadeel: moeilijk aan te passen (bijv. nieuwe device driver) Moeilijk te debuggen Door grotere gecompliceerdheid vaak fouten erin. CSN-CS3 12 De kernel bevat alleen de minimaal benodigde onderdelen Alle andere functies worden in aparte processen uitgevoerd Bijv. filemanagement, netwerk functies Sommige functies kunnen in bibliotheekprocedures opgenomen worden (in de user processen). microkernel O.S. is flexibeler, maar vaak iets langzamer. Voorbeeld: Mach (is de kernel van Mac OS X op de Macintosh) CSN-CS3 13 Lagenmodel O.S. File management user program library DLL gebruikers programma s/processen File management beheert de data op de schijven: Waar staat de data op de schijf system call interface O.S. Welke naam behoort bij welke data Organisatie van filenamen in directories file system service process management netwerk services Lezen, schrijven e.d. van de files Gelijktijdige toegang tot files Bescherming van data tegen ongeoorloofd gebruik I/O management memory management disk driver terminal driver netwerk driver hardware interfaces CSN-CS3 14 CSN-CS3 15 File Management 2 File Management 3 Storage Service: Beheert de indeling van de schijf Houdt bij welke ruimte in gebruik is en welke vrij Houdt bij waar elke file op de schijf staat Directory Service: Houdt namen van files bij in directories Beeldt namen in directories af op Storage service dingen Vaak min of meer met elkaar verweven. Vragen: Waar zit de bescherming tegen ongeoorloofd gebruik? Kun je een file benaderen zonder de naam te hebben? Kan een file meer dan één naam hebben? NB. Een directory is ook een file (met andere toegangsmogelijkheden) CSN-CS3 16 CSN-CS3 17 slides3.pdf April 15,

4 Geïntegreerd systeem Hiërarchisch filesysteem schijf root / naam attrib blocknr 1 block nr 2 A * b C schijf entry * * * aa D bb cc directory * * dd ee ff * * file directory CSN-CS3 18 CSN-CS3 19 Filesysteem met links Implementatie van links root CSN-CS3 20 / * A b C xx * * * aa D bb cc * * dd ee ff * yy * file directory link directory structuur en storage structuur gescheiden File wordt geïdentificeerd door de storage structuur In Unix een grote tabel op schijf Index in deze tabel is inode. Elke entry in deze tabel stelt een file voor en bevat (o.a.) de locatie van de file Directory entries bevatten de naam en de inode Protecties staan in de inode Harde link: dezelfde inode staat in verschillende directory entries Symbolische link: directory entry verwijst naar een andere filenaam CSN-CS3 21 Garbage collection Disk cache Wanneer kan het O.S. een file weggooien? Als er geen extra links zijn kan de file weggegooid worden wanneer een remove (delete) commando gegeven wordt. Maar wat gebeurt er als een ander programma met deze file bezig is? Als er extra link zijn dan moet bijgehouden worden hoeveel verwijzingen er zijn (reference count). Bij een delete/remove opdracht wordt de directory verwijzing weggehaald en de reference count afgelaagd Als de reference count 0 is wordt de file echt weggegooid. Als er cyclische structuren ontstaan wordt de reference count nooit 0 Deel van het geheugen dat gebruikt wordt om gelezen/te schrijven blokken van de schijf op te slaan. Wanneer het nog een keer nodig is dan is het snel beschikbaar Vergelijkbaar met geheugen-cache maar op ander niveau (software) Bij het schrijven voorzichtig zijn anders data verloren. Sommige files graag direct doorschrijven Volgorde kan belangrijk zijn database systemen metadata CSN-CS3 22 CSN-CS3 23 slides3.pdf April 15,

5 Programma interface (API) API 2 Unix interface: fileid = open ( filenaam, opties ); opties = manier van openen: lezen, schrijven, nieuwe file aanmaken, e.d. fileid = (klein) nummer. Verschillende andere operaties (lezen, schrijven) gebruiken niet meer de filenaam maar de fileid: result = read (fileid, buffer, aantal_bytes); result = write (fileid, buffer, aantal_bytes); close (fileid); In O.S. wordt een datastructuur bijgehouden over deze open file. De fileid is de index in een array van deze data-objecten CSN-CS3 24 proces A file positie file positie CSN-CS Garbage collection gevolgen: 0 1 proces B Bij een close opdracht in een programma wordt de reference count afgelaagd Files die geopend zijn door programma s moeten nog extra references krijgen. file 1 file 2 API 3 Hogere File I/O lagen In Win32 soortgelijke operaties: Meer parameters filehandle = geheime waarde Handle = CreateFile(FileName, Access, ShareMode, Security, Disposition, Flags, Template) Wordt ook gebruikt om bestaande files te openen. Files lezen met de primitieve API is vaak niet handig: Bijvoorbeeld regels lezen: Hie vind je het Newline teken? Per character lezen is inefficient Bij grotere blokken lezen heb je teveel of te weinig Gebufferde I/O: Lees met de primitieve I/O blokken in Haal daar uit wat je nodig hebt Bepaalde operaties (bijv. file copieren kunnen efficient met de primitieve API. CSN-CS3 26 CSN-CS3 27 Memory-mapped Files Memory mapping In plaats van File opdrachten kunnen we het memory management systeem gebruiken (paginering) Zeg tegen het O.S. dat een bepaald deel van het geheugen eigenlijk een file is je kunt nu gewoon de file als een stuk geheugen gebruiken Dit kan voor lezen/schrijven Dan hebben we shared memory Maar ook voor instructies (bibliotheek) swap gebied programma code A proces A data intern geheugen proces B data programma code B swap gebied Dan hebben we DLL s (shared libraries) swap gebied file file swap CSN-CS3 28 paging pagina s van file CSN-CS3 29 paging slides3.pdf April 15,

6 Geheugen pagina s Netwerk Filesystemen vrij nog niet gebruikt vast pagina s van het O.S. die niet gepaged mogen worden (bijv. page tables, de pager zelf) nieuw pagina s die nog geen waarde hebben (bijv aangevraagde heap) file van/naar een file gepaged: instructies, mapped files en cache pagina s swap niet bij een specifieke file horend, gepaged van en naar een speciale swap-ruimte: data, heap en pagina s e.d. Netwerk Filestysteem: De files staan op een andere computer dan waar ze gebruikt worden (Fileserver) Ze kunnen op dezelfde manier gebruikt worden als locale files Alle file operaties worden opgevangen en doorgestuurd naar de fileserver NFS (Network File System): populair op Unix systemen SMB/CIFS (Server Message Block/Common Internet File System) op Microsoft systemen Samba is een open source implementatie van SMB/CIFS op vooral Unix systemen Eerst moet een remote filesysteem gemount worden Op Unix geintegreerd in de directory structuur Op Windows aparte drive letter (X:) of \\servernaam\filenaam CSN-CS3 30 CSN-CS3 31 slides3.pdf April 15,