PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní1
Struktura a rozhraní OS
PB153
Operační systémy a jejich
rozhraní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní2
Komponenty OS
Správa procesů
Správa operační paměti
Správa souborů
Správa I/O zařízení
Správa sekundární paměti
Správa síťových služeb
Ochranný systém
Interpret příkazů (shell)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní3
Správa procesů
Proces (aktivní entita) je spuštěný program (pasivní
entita)
jeden program může být zároveň spuštěn řadou
uživatelů
proces je jednotkou práce systému
* procesy jádra OS
* uživatelské procesy
Proces pro svou činnost potřebuje zdroje
procesor, paměť, soubory
zdroje se alokují při spuštění nebo při běhu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní4
Správa procesů (2)
Typické aktivity OS v oblasti správy procesů
vytváření a ukončování uživatelských a
systémových procesů
potlačování (suspending) a obnovování
(resuming) procesů
mechanismy pro synchronizaci procesů
mechanismy pro komunikaci mezi procesy
mechanismy pro detekci a řešení uváznutí
(deadlock)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní5
Správa operační paměti
Při spuštění procesu musíme program nahrát
do paměti
Později může proces vyžadovat dodatečnou
paměť pro data a tuto paměť OS vracet
Jakmile proces končí, musí OS veškerou
paměť užívanou procesem opět uvolnit
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní6
Správa operační paměti
Typické aktivity OS v oblasti správy paměti
znalost, která část paměti je využívána a kým
(kterým procesem)
přidělování (alokace) a uvolňování
(dealokace) paměti podle požadavků procesů
rozhodování o tom, který proces kdy zavést
do paměti
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní7
Správa souborů
Soubor
kolekce souvisejících informací definovaná svým
tvůrcem
může mít strukturu, ale nemusí
z hlediska OS typicky jen posloupnost bajtů
I/O zařízení na kterých jsou soubory uloženy mohou
být nejrůznějšího typu
magnetické disky, optické disky, magnetické pásky
OS zavádí abstraktní koncept souboru
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní8
Správa souborů (2)
Typické aktivity OS v oblasti správy souborů
vytváření a rušení souborů
vytváření a rušení adresářů (složek)
základní operace pro manipulaci se soubory a
adresáři (např. čtení ze souboru, zápis do
souboru, seznam souborů v adresáři)
zálohování na nevolatilní (energeticky
nezávislá) média
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní9
Správa I/O zařízení
Snaha o skrytí specifik jednotlivých I/O
zařízení
co nejjednotnější přístup k jednotlivých I/O
zařízením
mnoho OS zpřístupňuje I/O zařízení přes
speciální soubory
* /dev/sda, /dev/lp0 v UNIXu
* \\.\PHYSICALDRIVE2, CONIN$ ve Win32
Ovladače jednotlivých HW komponent
Řízení bufferů, kešování, spooling
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní10
Správa sekundární paměti
Typické sekundární paměti jsou disky
Správa sekundárních pamětí obvykle formou
souborů ­ souborového systému
Typické aktivity OS
správa volného místa
přidělování místa
plánování činnosti disku (které požadavky kdy
vyřídit)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní11
Správa síťových služeb
Komunikace je řízena protokolem
protokol je několikastranný algoritmus pro
dosažení určitého cíle
Snaha o transparentnost
síťové souborové systémy (SMB, NFS, ...)
API podobné jako přístup k souborům
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní12
Ochranný systém
V multitaskingovém a multiuživatelském OS musíme
jednotlivé procesy navzájem chránit
Ochrana je mechanismus, který řídí přístup
programů, procesů a uživatelů ke zdrojům
počítačového systému
HW za pomocí OS zajišťuje, že proces může
používat pouze adresy svého adresového prostoru
časovač brání jednomu procesu v získání plného
přístupu k CPU
režim CPU brání uživatelským procesům spouštět
privilegované instrukce
Ochranný mechanismus rozlišuje autorizované a
neautorizované použití prostředků
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní13
Interpret příkazů
Interpret příkazů, neboli command-line
interpreter, neboli shell
úkolem je získávat příkazy od uživatele a
provádět je
Za tento interpret příkazů můžeme považovat
i moderní GUI
Někdy je interpret příkazů přímo součást
jádra operačního systému, někdy je to jen
speciální program
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní14
Služby OS
Spouštění programů
zavedení programu do paměti, běh procesu
I/O operace
uživatelské procesy nemají přístup k I/O instrukcím,
vše musí poskytovat OS
Souborový systém
manipulace se soubory a adresáři
Komunikace
mezi procesy nebo počítači
Detekce chyb
musí počítat s chybami HW (např. parita paměti)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní15
Interní služby OS
Zabezpečují efektivní provoz samotného OS
Alokace zdrojů
plánovací algoritmy pro přidělování CPU
přidělování přístupu k tiskárnám apod.
Účtování
máme přehled o tom, kteří uživatelé kdy
využily které zdroje
Ochrana
autentizace, řízení přístupu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní16
Systémová volání
Systémová volání tvoří rozhraní mezi
uživatelským procesem a OS
typicky jsou popsána jako instrukce
assembleru a jsou uvedena v
programátorském manuálu k OS
vyšší programovací jazyky obsahují některé
funkce, které odpovídají systémovým voláním
(např. open, write) a dále knihovní funkce,
které poskytují vyšší funkčnost a v rámci této
spouští (třeba hned několik) systémových
volání (např. fopen, fwrite).
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní17
Systémová volání (2)
Různé OS a různé HW platformy mívají různé
způsoby jak volat služby OS a různou strukturu
těchto služeb
Nicméně existují určité standardy, které usnadňují
přenositelnost programového kódu
v oblasti UNIXu: POSIX
V oblasti Windows: Win32
Teoreticky kód který bude psán podle standardu
bude přeložitelný na kompatibilních platformách, v
praxi však existuje celá řada verzí standardu a
mnoho výjimek co je a není implementováno
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní18
Kategorie systémových volání
Správa procesů
spusť, ukonči, čekej, nastav atributy
Správa souborů
vytvoř, smaž, otevři, čti, zapiš, zavři
Správa I/O
získej přístup, připoj, čti, zapiš, odpoj
Správa informací
datum a čas, atributy procesů a souborů
Komunikace
vytvoř spojení, odešli, přijmi
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní19
Příklad systémového volání
Funkce Win32 ,,CreateProcessAsUser"
BOOL CreateProcessAsUser(
HANDLE hToken, // handle to a token representing the logged-on user
LPCTSTR lpApplicationName, // pointer to name of executable module
LPTSTR lpCommandLine, // pointer to command line string
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes, // process security attributes
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // thread security attributes
BOOL bInheritHandles, // whether new process inherits handles
DWORD dwCreationFlags, // creation flags
LPVOID lpEnvironment, // pointer to new environment block
LPCTSTR lpCurrentDirectory, // pointer to current directory name
LPSTARTUPINFO lpStartupInfo, // pointer to STARTUPINFO
LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation // pointer to PROCESS_INFORMATION
);
Windows NT: Requires version 3.51 or later.
Windows: Unsupported.
Windows CE: Unsupported.
Header: Declared in winbase.h.
Import Library: Use advapi32.lib.
Unicode: Implemented as Unicode and ANSI versions on
Windows NT.
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní20
Způsob předání parametrů
Registry
mov ah,01h
mov cx,2000h
int 10h
Zásobník
mov ax,0001h
push ax
int 10h
Blok (struktura, tabulka) v paměti & pointer
mov ax,0001h
mov [tabulka1],ax
mov bx,tabulka1
int 10h
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní21
Příklad 1: MS-DOS
DOS interrupts
INT 20H Terminate a program
INT 21H DOS Services
INT 25H/26H Absolute Disk Read/Write
INT 27H Terminate but Stay Resident
INT 28H DOS Safe Interrupt / DOS Timeslice (UNDOCUMENTED)
INT 2eH Perform DOS Command (UNDOCUMENTED)
INT 2fH Multiplex Interrupt (print spooler, TSR control)
INT 33H Mouse Support
INT 67H Expanded Memory Manager (LIM-EMS)
Address Pointers (not used as software interrupts)
INT 22H Terminate address
INT 23H Control-Break address
INT 24H Critical Error Handler address
Volání služeb DOSu:
AH = číslo služby
ostatní registry (AL, DL, DX, CX, DS:DX, DS:SI, ES:DI, ES:BX) = parametry
INT 21H
návratová hodnota bývá v AL
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní22
Příklad 1: MS-DOS (2)
Systémové volání pro otevření existujícího souboru
DOS Fn 3dH: Open a File Handle
Expects:
* AH=3dH
* DS:DX=address of an ASCIIZ string of a filespec
* AL=Open Mode
* AL = 0 to open for reading
* AL = 1 to open for writing
* AL = 2 to open for reading and writing
Returns: AX=error code if CF is set to CY
=file handle if no error
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní23
Příklad 1: MS-DOS (3)
Programový kód
filename: DATA "c:\autoexec.bat",0
mov ax,3d00h
mov dx,[filename]
int 21h
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní24
Příklad 2: Linux
Systémová volání
standardně přes int 0x80
nově i přes instrukci syscall (sysenter)
Číslo systémového volání
v registru eax
v jádře 2.2 přibližně 200 volání, v jádře 2.6 přes 300 volání
Parametry systémového volání
v registrech ebx, ecx, edx, esi, edi, ebp
kromě fce 117 (parametrem je odkaz na strukturu)
Výsledek
uložen v eax
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní25
Příklad 2: Linux (2)
Hello world v assembleru pod Linuxem
section .text
global _start
msg db 'Hello, world!',0xa
len equ $ - msg
_start:
mov edx,len ;message length
mov ecx,msg ;message to write
mov ebx,1 ;file descriptor (stdout)
mov eax,4 ;system call number (sys_write)
int 0x80 ;call kernel
mov eax,1 ;system call number (sys_exit)
int 0x80 ;call kernel
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Příklad 3: FreeBSD
Systémová volání
přes VOLÁNÍ FUNKCE, která obsahuje int 0x80
nebo přes volání brány call 7:0
Číslo systémového volání
v registru eax
Parametry systémového volání
na zásobníku (první parametr je ukládán poslední)
Výsledek
v registru eax
volající proces musí vyčistit zásobník (parametry)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní27
Příklad 3: FreeBSD (2)
Hello World v assembleru ve FreeBSD
section .text
global _start
msg db "Hello, world!",0xa
len equ $ - msg
_syscall: int 0x80 ;system call
ret
_start: ;tell linker entry point
push dword len ;message length
push dword msg ;message to write
push dword 1 ;file descriptor (stdout)
mov eax,0x4 ;system call number (sys_write)
call _syscall ;call kernel
add esp,12 ;clean stack (3 arguments * 4)
push dword 0 ;exit code
mov eax,0x1 ;system call number (sys_exit)
call _syscall ;call kernel
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní28
Komplexita OS
Počet systémových volání OS / API volání
OS rok počet systémových volání
UNIX 1971 33
UNIX 1979 47
SunOS 1989 171
4.3 BSD 1991 136
SunOS 1992 219
SunOS 1997 190
Linux 1998 229
NT 4.0 1999 3443
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní29
Komplexita OS (2)
Rozsah zdrojového kódu Windows
Verze rok miliony řádků
NT 3.1 1993 4-5
NT 3.5 1994 7-8
95 1995 10
NT 4.0 1996 11-12
98 1998 18
2000 2000 29
XP 2001 40
2003 Svr 2003 50