IKT for lærere

1. Introduksjon til operativsystemer Jan Høiberg November 2009 IKT for lærere

2. Innhold • Generelt om operativsystemer • Grensesnitt mot brukere og programmer • Klassifisering av systemene • Historikk (og religionskriger) • Prosesshåndtering • Minnehåndtering • Filer og filsystem • Styring av maskinvareenheter (device handling)

3. Hva er et operativsystem (OS)? • En samling med programvare som “ligger mellom” brukeren/ brukerprogrammene og maskinens hardware . • Vanlige OS: Microsoft Windows, Linux, Mac Os X, BSD Unix. • OS'et er et (av mange) lag av abstraksjon som gjør datamaskinen “operativ” for oss – vi kan bruke den uten å vite hvordan hardware og nettverk og mye annet egentlig fungerer.

4. OS’ets viktigste oppgaver • Prosessorstyring • Minnestyring • Maskinvarestyring • Diskplasstyring (I/O) • Applikasjonsgrensesnitt • Brukergrensesnitt

5. Brukeren og OS'et • Brukergrensesnittet mot OS: • - Vindussystem (GUI) • - Vanlige brukerprogrammer. • Tekstbaserte “skall” (Linux) Brukergrensesnittene gjør anvendelsen av OS’et og datamaskinen enklere for brukeren.

6. Brukerprogrammer og OS'et • “Kjernen” i OS'et styrer prosessoren(e), RAM og periferienheter (disker, printere, nettverksporter, mus, etc.) • Brukerprogrammer (eks. Word, nettlesere) kommuniserer med hardware gjennom såkalte system-tjenester som tilbys fra kjernen gjennom et API. • OS'et forenkler dermed jobben for de som skal programmere datamaskinene.

7. Klassifisering av OS • Spesialiserte real-time operativsystemer • Styringssystemer, sikkerhetskritisk programvare (ABS-bremser), trafikkkontroll – må garantere rask respons på endringer. • Single-user – single-task • Én bruker kjører et program om gangen (MS-DOS, Palm) • Single-user – multi-tasking (trad. PC) • Én bruker kan kjøre flere programmer ”samtidig” (Windows, Mac) • Multi-user (krever multi-tasking) • Flere brukere deler maskinen (Linux/Unix, OS for servere, Windows 2000 og proprietære OS for tradisjonelle ”mainframes)

8. OS-historikk (1) • Tidlige datamaskiner (ZUSE-X, ENIAC, Colossus, NUSSE) ble brukt til komplekse beregninger, programmert i hardware, pluggebord og maskinkode. De hadde ikke noe operativsystem, men ble betjent av (oftest kvinnelige) operatører

9. OS-historikk (2) • Første OS fra IBM ca 1955, ”tvunget” fram av transistoren og FORTRAN – batchsystemer: Én jobb kjøres om gangen. • Multitasking systemer kom på 1960-tallet for å unngå dyre mainframes på ”tomgang”. • MULTICS – første multi-user system  UNIX ca. 1969 (Ken Thompson) • NB: GUI, mus, hypertekst, internett og videokonferanser ble demonstrert allerede i 1968 på ”The Mother of all demos” (Douglas Engelbart).

10. OS-historikk (3) • Første GUI-OS fra Xerox Parc, 1973. • Tekstbaserte OS for PC: MS-DOS og CP/M, ca. 1980. • Første PC med GUI: Apple Macintosh, 1984 (stjålet fra Xerox). • Windows 1.0, 1985 (saksøkt 1988). • Unix med GUI i 1982 • Gratis open-source Unix for PC (Linux) i 1991. • Arpanett fra 1968 ble til Internett (for Unix-brukere i Akademia) på 80-tallet. • 1995  : ”Alle” får PC og nett-tilknytning, Microsoft Windows dominerer markedet.

11. Hva slags OS får vi i fremtiden? • 3D grensesnitt?: • Microsoft Surface • Beryl (for Linux) • Konvergens av OS’ene på 2000-tallet: • Windows mere stabilt. • Linux mere brukervennlig. • Mac OS X basert på BSD Unix. • Får vi ett ”universelt” OS-GUI om noen år?

12. OS og religionskrigen • religious war An argument, which usually takes place in a NEWSGROUP, in which the participants take violent, uncompromising positions. A typical religious war is that between the proponents of Microsoft's Windows operating system and non-Windows systems such as LINUX. • -- fra ”A Dictionary of the Internet”

14. "How I hate this damned machine,I wish that I could sell it,It never does what I want it to,But only what I tell it".

15. Prosesser • En prosess er et program som kjører og alle ressursene som trengs til dette (programkode, hukommelse, filer etc.). • Operativsystemet starter, stopper og håndterer alle prosessene på maskinen. • En prosess startes ved at OS’et laster programmet inn i RAM, reserverer ressursene som trengs og overlater deretter kontrollen/prosessoren til programmet. • Alle data som tilhører en prosess lagres i en Process Control Block (PCB) som til enhver tid inneholder prosessens tilstand.

16. Hvordan kommer det hele i gang? • OS’et består selv av flere prosesser som kjører hele tiden for å kontrollere maskinen. • Men: Hvordan kan maskinen starte når det ikke er noe OS til stede som kan sette i gang det hele? Hvem skal starte den første prosessen? • Oppstart av maskinen kalles derfor ”bootstrapping”, i.e. ”løfte seg selv etter skolissene”. • Når maskinen slås på kjøres først et program som kalles BIOS (Basic Input-Output System) som ligger ”brent” i hardware (ROM) og ikke må lastes i RAM. • BIOS starter en ”boot-loader” som sørger for at OS’et lastes inn i RAM og starter den første OS-prosessen (”init” i Linux).

17. Multi-tasking • PC’en har (ofte) bare én prosessor (CPU), men kan tilsynelatende gjøre flere ting samtidig? • Multi-tasking er mulig gjennom time-sharing: • En prosess lastes inn, startes og får bruke CPU’en i et kort tidsintervall, ”time-slice”. • OS’et gjør deretter et ”interrupt” som avbryter prosessen og lagrer unna prosessens PCB. • Deretter lastes neste prosess (og dens PCB) inn og får kjøre inntil neste interrupt, osv. • Byttet mellom to prosesser calles ”context switch”.

18. Multi-tasking og trashing • Typisk time-slice: 10 ms. • Context-switch: 0.001 ms • Trashing: OS’et bruker for mye tid på å håndtere prosessene (eldre Windows). • Trashing kan unngås ved å dele prosessene opp i mindre ”threads” som kjøres parallelt. • Skifte mellom threads er vesentlig raskere enn å gjøre en full context switch.

19. Multi-tasking med flere CPU’er

20. Scheduling • Problem: Når en prosess har kjørt ferdig i en time-slice, hvilken av de ventende prosessene skal velges som den neste som får kjøre? • Finnes mange ulike algoritmer for scheduling. • Vanligst er ”Round Robin”: • Prosessene ”står i kø”. Førstemann i køen velges. • En prosess som er ferdig må gå bakerst i køen. • Prioritering gjøres ved å variere lengden på time-slice. • Ulempe: RR kan ikke garantere responstider.

21. Operativsystemet og minne • To hovedproblemer OS’et må løse: • Hver prosess må ha nok minne til å kunne kjøre. • Ingen prosesser må kollidere, i.e. bruke samme minneadresser. Vil forårsake program-crash eller at maskinen stopper (Windows 3.1X...).

22. Tre hovedtyper av datamaskinhukommelse • Høyhastighetscache: • Meget raskt minne som er ”nære” CPU. • Hovedminne: • Random Acess Memory (RAM). BIOS “teller opp”/ sjekker RAM ved booting. VideoRAM på skjermkort regnes også med som hovedminne. • Sekundærminne/virtuell hukommelse: • Dette er disken (harddisk med roterende magnet-plater eller Flash-memory). Brukes bare som minne hvis det er fullt i RAM, er svært mye langsommere.

23. Minnehåndtering • De forskjellige typene minne må brukes effektivt, slik at prosessene kjører så raskt mulig. • Flytting av PCB’ene i minnesystemet må hele tiden gjøres slik at det er ”kort vei” fra CPU til dataene for den aktive prosessen. • Algoritmene for minnehåndtering i et OS er svært kompliserte og av helt avgjørende betydning for datamaskinenes ytelse. • Spesielt bør bruk av virtuell hukommelse unngås hvis mulig.

24. ”Memory is like an orgasm. It's a lot better if you don't have to fake it.” • -- Seymour Cray om virtuell hukommelse

25. Filer og filsystem • Fil: En samling data som logisk hører sammen: Word-dokument, webside, JPG-bilde, lyd- eller videoklipp i MPEG-format etc. Fysisk er en fil ofte spredt på disk. • I Linux: En fil er et medium som data kan leses fra eller skrives til – dvs. alt er filer(!). • OS’et må tilby brukere og programmer en systematisk måte for å lagre, finne igjen og beskytte filer i et filsystem. • Filhåndtering var eneste reelle oppgave til en del tidlige ”primitive” operativsystemer som f.eks. MS-DOS (”Disk Operating System”).

26. Hierarkiske filsystemer • Filene organiseres i ”mapper” – en samling filer som ”hører sammen” (fra MULTICS, 1963). • Mappen er også en fil, slik at mapper kan inneholde mapper -- vi får et hierarki (”et tre”) av mapper med en ”rot” på toppen. • En mappe inneholder egentlig bare en liste med filene som ligger i mappen. • Linux har bare et toppnivå i hierarkiet (aka ”root”). • Windows har et mappe-tre (”drive”) for hver disk.

27. Hva er ”inne i” filsystemet? • Et ”tabellverk” med informasjon om alle filene (”I-node table” i Linux”, ”File Allocation Table” – FAT – i MS). • Mappefiler med filnavn, som gir hierarkisk struktur. • Metadata for ”bokføring” og organisering. • Mekanismer for å lage, fjerne, flytte og finne igjen filer og mapper. • Beskyttelse i form av tilgangsbegrensning til filene (for ”eier”, andre brukere av disken og ”resten av verden”).

28. Flash-disk vs. vanlig hard-disk • Flash-RAM (overskrivbar ROM, aka SSD) erstatter HD i små enheter og for flytting av data. • Raskere enn HD, billigere enn RAM. • Krever nye filsystemer: • HD overskrives direkte, SSD må ”blankes” før skriving. Flash-filsystemer må utnytte ”tomgang” til å slette ledig plass. • SSD trenger ikke å optimalisere søking. • SSD ”slites ut” ved gjentatt overskriving, må spre data jevnere ut enn for en HD.

29. Device-håndtering • External Device (ED): Hardware som ikke er på maskinens hovedkort (motherboard): Disk, scanner, printer, CD/DVD-spiller, Flash-ROM, USB-, nettverk- og serie/parallelporter, etc. • OS’et ”snakker med” ED gjennom små hjelpe-programmer som kalles ”drivere” (abstraksjon). • En driver er en ”protokoll” som oversetter OS’ets systemkall til ED’ets ”innfødte” styresignaler. • Et OS bør i størst mulig grad forholde seg til generiske drivere, for ikke å bli utdatert når teknologien endres. • Drivere som er innebygget i OS’et kalles ”Plug & Play” (aka ”Plug & Pray” i tidlige utgaver).