PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní1
Principy výstavby OS
PB153
Operační systémy a jejich
rozhraní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní2
Systémové programy
Poskytují pohodlné prostředí pro vývoj a spouštění programů.
Typická kategorizace systémových programů
Práce se soubory, kopírování, editace, ...
Získávání, definování a údržba systémových informací
Modifikace souborů
Podpora jazykových prostředí
Zavádění a provádění programů
Komunikace
Významným systémovým programem je shell
má shell implementovat příkazy sám nebo jen volat externí
programy?
Uživatelský pohled na OS je dán především systémovými programy
a ne voláními systému (system calls)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní3
Vnitřní struktura OS
Existuje řada přístupů a implementací
jedno velké monolitické jádro
modulární, hierarchický přístup
malé jádro a samostatné procesy
Struktura mnoha OS je poznamenána historií
OS a původními záměry, které se mohou od
současného stavu radikálně lišit
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní4
Příklad: MS-DOS
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní5
Příklad MS-DOS (2)
Při programování pro OS MS-DOS využíváme
služeb
spuštěných rezidentních programů
* např. ovladač myši (poskytuje služby na INT 33h)
operačního systému
* např. přístup k souborům (INT 21h)
BIOSu
* např. nastavení grafického režimu (INT 10h)
přímo HW
* např. přímo zápis do videopaměti pro zobrazení dat
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní6
Příklad MS-DOS (3)
Změna fontů v textovém režimu (bez využití služeb BIOSu, OS, přímo HW)
asm cli;
outport(0x3c4,0x0402);
outport(0x3c4,0x0704);
outport(0x3ce,0x0204);
outport(0x3ce,0x0005);
outport(0x3ce,0x0406);
for(i=0;i<=254;i++)
{ for(j=0;j<=15;j++)
{p=MK_FP(0xa000,32*i+j);
*p=font[y]; y++; } }
outport(0x3c4,0x0302);
outport(0x3c4,0x0304);
outport(0x3ce,0x0004);
outport(0x3ce,0x1005);
outport(0x3ce,0x0e06);
asm sti;
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní7
Příklad MS-DOS (4)
Hlavní cíl návrhu
maximální možná funkcionalita v co
nejmenším prostoru
Výsledek
modulová architektura není aplikovaná
i když MS-DOS má jistou strukturu, jeho
rozhraní a jednotlivé komponenty nejsou
důsledně separovány a uspořádány
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní8
Příklad UNIX
Také omezen hardwarem
vznik v polovině 70. let
OS Unix sestává ze 2 částí
systémové programy
jádro
* vše, co se nachází pod rozhraním volání systému a nad
fyzickým hardware
* obstarává plnění funkcí z oblastí systému souborů, plánování
CPU, správy paměti, ...
* vrstvová architektura sice existuje, ale hodně funkcí je na
jedné úrovni
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní9
Příklad UNIX (2)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní10
Příklad: UNIX (3)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní11
Příklad OS/2
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní12
Hierarchická vrstvová
architektura
OS se dělí do jistého počtu vrstev (úrovní)
Každá vrstva je budována na funkcionalitě
nižších vrstev
Nejnižší vrstva (0) je hardware
Nejvyšší vrstva je uživatelské rozhraní
Pomocí principu modulů jsou vrstvy vybírány
tak, aby každá používala funkcí (operací) a
služeb pouze vrstvy n ­ 1
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní13
Hierarchická architektura
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní14
Hierarchická struktura
Řeší problém přílišné složitosti velkého systému
Provádí se dekompozice velkého problému na
několik menších zvládnutelných problémů
Každá úroveň řeší konzistentní podmnožinu funkcí
Nižší vrstva nabízí vyšší vrstvě ,,primitivní" funkce
(služby)
Nižší vrstva nemůže požadovat provedení služeb
vyšší vrstvy
Používají se přesně definovaná rozhraní
Jednu vrstvu lze uvnitř modifikovat, aniž to ovlivní
ostatní vrstvy ­ princip modularity
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní15
Hierarchická struktura
Výhodou je modularita OS
Nevýhodou je především vyšší režie a tím pomalejší
vykonávání systémových volání
Protože efektivita hraje v jádře OS významnou roli
je třeba volit kompromis
pouze omezený počet úrovní pokrývající vyšší
funkcionalitu
příklad: první verze Windows NT měli hierarchickou
strukturu s řadou vrstev, avšak pro zvýšení výkonu
OS bylo ve verzi NT 4.0 rozhodnuto přesunout více
funkcionality do jádra a sloučit některé vrstvy
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní16
Provádění služeb v
klasickém OS
Klasický OS (non-process kernel OS)
OS je prováděn jako samostatná entita v privilegovaném režimu
procesy ­ jen uživatelské programy
Služba se provádí jako součást jádra
Služba se provádí v rámci procesů
obecně lze celý OS provádět v kontextu uživatelského procesu
* Leží v jeho adresovém prostoru
přerušení (volání služby OS) vyvolává implicitně pouze přepnutí
režimu procesoru (z uživatelského do privilegovaného), ne
změnu kontextu
k přepínání kontextu procesů dochází jen tehdy, je-li to nutné z
hlediska plánování
pro volání procedur v rámci jádra se používá samostatný
zásobník
program a data OS jsou ve sdíleném adresovém prostoru a sdílí
je všechny uživatelské procesy
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní17
Služby v procesově
konstruovaném OS
OS je souhrnem systémových procesů
Jádro tyto systémové procesy separuje, ale
umožňuje jim synchronizaci a komunikaci
Snaha o provádění co nejmenší části kódu v
privilegovaném režimu procesoru
V krajním případě je jádro pouze ústředna pro
přepojování zpráv
Takové řešení OS je snadno implementovatelné na
multiprocesorových systémech
Malé jádro - mikrojádro
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní18
Struktura s mikrojádrem
Microkernel System Structure
Malé jádro OS plnící pouze několik málo
nezbytných funkcí
primitivní správa paměti (adresový prostor)
komunikace mezi procesy ­ Interprocess
communication (IPC)
Většina funkcí z jádra se přesouvá do ,,uživatelské"
oblasti
ovladače HW zařízení, služby systému souborů,
virtualizace paměti ...
mezi uživatelskými procesy se komunikuje
předáváním zpráv
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní19
Struktura s mikrojádrem (2)
Výhody mikrojádra
snadná přenositelnost OS, jádro je malé
vyšší spolehlivost (moduly mají jasné API a jsou snadněji
testovatelné)
vyšší bezpečnost (méně kódu OS běží v režimu jádra)
flexibilita (jednodušší modifikace, přidání, odebrání modulů)
všechny služby jsou poskytovány jednotně (výměnou zpráv)
Nevýhoda mikrojádra
zvýšená režie
* volání služeb je nahrazeno výměnou zpráv mezi procesy
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní20
Mach
Klasickým příkladem OS s mikrojádrem je Mach
vytvořený v 80. letech
Na přístupu Mach je založen např. Tru64 UNIX
nebo realtimový OS QNX
Windows NT používají hybridní strukturu
jádro má vrstevnou strukturu a zajišťuje komunikaci
aplikace se ,,servery"
pro jednotlivé typy aplikací (Win32, OS/2, POSIX)
existují ,,servery" běžící v uživatelském režimu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní21
Příklad: Windows NT
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní22
Virtuální stroje
Virtuální stroj vytváří rozhraní identické s původním holým
hardwarem
Operační systém vytváří iluzi více procesů, kde každý běží na
svém vlastním procesoru se svou vlastní (virtuální) pamětí
může vytvářet iluzi více systémů
* s vlastnostmi původního fyzického počítače nebo úplněji jiného
stroje
každý uživatel na jediném stroji může tudíž provozovat jiný OS
virtuální stroje zajišťují úplnou ochranu systémových zdrojů
* každý virtuální stroj je izolován od všech ostatních virtuálních strojů
* to však ztěžuje komunikaci mezi virtuálními stroji
Ve virtuálním stroji může běžet virtuální stroj 
* Usnadňuje to např. ladění OS během jeho provozování
Implementace virtuálních strojů není triviální
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní23
Virtuální stroje (2)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní24
Virtualizace (příklad)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní25
Java Virtual Machine
Prostředí Java dosahuje nezávislosti na použité HW platformě
pomocí JVM (Java Virtual Machine)
pro každou platformu je implementován JVM
kompilátor Java (javac) generuje ,,bytecode" (ne přímo strojový
kód určité architektury)
bytecode je interpretován JVM
V praxi to s HW/OS nezávislostí není zcela pravdivé
Problém rychlosti běhu
program v Javě se provádí pomaleji než obdobný program v
C/C++
Řešení
Těsně před provedením kompiluje kompilátor JIT (Just In Time),
bytecode do strojového kódu patřičné platformy
A nebo počítačové platformy, kde instrukce strojového kódu =
bytecode
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Cíle návrhu systému
Cíle pro uživatele
OS musí být snadno použitelný, snadno naučitelný, spolehlivý,
bezpečný, rychlý, ...
Systémový cíl
OS se musí dát snadno navrhnout, implementovat, udržovat a
musí být přizpůsobivý, spolehlivý, bezchybný, spolehlivý
Zkušenost s výsledky
Operační systémy jsou (a asi vždy budou)
* Obrovské ­ až desítky milionů řádků zdrojového kódu
* Složité
* Asynchronní (interaktivní)
* (vždy) plné chyb a (často) nespolehlivé
* Silně závislé na konkrétním hardware ­ obtížně přenositelné
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní27
Implementace systému
Tradičně býval OS napsaný v symbolickém
strojovém jazyku (assembleru)
OS se stále častěji píší v běžných
programovacích jazycích vysoké úrovně
(obvykle C/C++)
lze naprogramovat rychleji
výsledek je kompaktnější
OS je srozumitelnější a lze ho snadněji ladit
je snadněji přenositelný na jinou architekturu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní28
System Generation
(SYSGEN)
Operační systém je navržen tak, aby mohl běžet na jisté třídě
architektur / sestav počítače
OS musí být konfigurovatelný na konkrétní sestavu
Program SYSGEN
Získává informace týkající se konkrétní konfigurace konkrétního
hardwarového systému
Bootování
Spuštění činnosti počítače zavedením jádra a předáním řízení
na vstupní bod jádra pro spuštění činnosti
Bootstrap program
Program uchovávaný v ROM, který je schopný naleznout jádro,
zavést ho do paměti a spustit jeho provedení
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní29
Bootování IBM PC
Řídí BIOS
provede se inicializace HW komponent
na základě uložené konfigurace zjistíme z kterého
zařízení se má OS zavést
v případě pevného disku se spustí kód uložený v
Master Boot Recordu (MBR)
* tento kód například zjistí, která partition je aktivní a spustí
boot sektor této partition. Kód uložený v boot sektoru načte
soubory s jádrem OS do paměti
* nebo např. LILO umožní interaktivně vybrat který OS bude
zaveden (bootsektor které partition se má spustit, kde je
soubor s jádrem OS)
* tento kód může být delší než je délka MBR, musí pak být
uložen v jiné oblasti disku