Operációsrendszer ismeretek

1. Operációsrendszer ismeretek Szentiványi Imre 2012.13tanf@gmail.com

2. Tartalom A Neumann-féle számítógép architektúra Az operációs rendszer feladata Funkcionális megközelítés Alapvető funkciók Erőforrás kezelés Folyamatleíró blokk Az operációs rendszerek szerkezete Rendszermodulok Megszakítások Interaktív rendszerek Folyamatok Folyamatleírók és szálak Felhasználói felület – Task Manager Feladatkezelő Task Manager Prioritáskezelés Prioritáskezelés W7 Ütemezés A rendszer architektúrája (XP) Állománykezelés Az állománykezelésben részt vevő komponensek Állomány tulajdonságok Állományműveletek Könyvtár Hierarchikus fastruktúra Lemez és fájlkezelés Fájlrendszerek Hosszú fájlnevek Háttértár Tárolási mód Dinamikus lemezkezelés Fájlok, mappák tömörítése Fájlok, mappák titkosítása Rendszeres adminisztrátori feladatok Memóriák típusai és jellemzői Windows memóriakezelés Az x86-os processzorok privilégium szintjei Címfordítás Egy virtuális cím belső felépítése Részletesebben Komponensek Virtuális címfordítás Memóriavédelem Memóriavédelem megvalósítás szintjei Memóriafoglalás Memóriakezelés A logikai címtér felépítése A logikai címtér A virtuális cím felépítése (x86) A címtranszformáció menete x86-os processzorok esetén

3. A Neumann-féle számítógép architektúra A számítógépek felépítése: • Tárolt program • Kettes számrendszer • Vezérlőegység • Aritmetikai-logikai egység • Perifériák IRQ IO R/W MEM R/W Memória Processzor I/O Címbusz Adatbusz

4. Az operációs rendszer feladata • Felhasználók kényelme – a számítógép egyszerű és biztonságos használata • Hatékony gépkihasználás – azonos idő alatt több program legyen végrehajtható Az információs rendszerrétegmodellje: 1.Felhasználó 2.Felhasználó Felhasználói programok 3.Felhasználó Operációs rendszer Hardver 4.Felhasználó

5. Funkcionális megközelítés • Az operációs rendszer fogalma: olyan program (programrendszer), amely a számítógépen futó összes folyamat végrehajtását vezérli (ISO szabvány szerinti megfogalmazás)! • A számítógépes rendszer hardver és szoftverrétegekből felépülő, hierarchikusan strukturált rendszer.

6. Alapvető funkciók • Algoritmus: valamely feladat megoldását eredményező tevékenység-sorozat lépéseinek egyértelmű, meghatározott és véges megadása. • Utasítás: az algoritmus egysége, egy elemi tevékenység. • Program: a számítógép által értelmezhető algoritmus. • Folyamat: a vizsgált számítógépes rendszerben azadott pillanatban végrehajtás alatt álló program.

7. Erőforrás kezelés • Erőforrás: a számítógépes rendszer azon összetevői, amelyek szükségesek a folyamatok működéséhez. • A két legfontosabb erőforrás a rendelkezésre álló: • processzoridő • a memóriaterület. Erőforrás foglalási gráf: A A folyamat kéri az I. erőforrást I. erőforrás B II. erőforrás B folyamat birtokolja a II. erőforrást

8. Folyamatleíró blokk • Folyamatleíró blokk (ProcessControlBlock): az operációs rendszer által az egyes folyamatok jellemzésére használt adatok csoportja, amely alkalmas a folyamat azonosítására és a folyamat által használt erőforrások nyilvántartására. • Rendszermag (kernel):Az operációs rendszer folyamatainak egy olyan kitüntetett csoportja, amely a rendszer- és a felhasználó által indított folyamatok között elosztja a rendelkezésre álló erőforrásokat.

9. Az operációs rendszerek szerkezete • Rétegszerkezet: minimum 3 réteg • hardver • operációs rendszer(CPU ütemezés, IO csatornák, tárkezelés, perifériakezelés, ütemezés) • felhasználói programok • Az egyes rétegeken belül: modulok • Kapcsolattartás: rendszerhívásokkal

10. Rendszermodulok Fontosabb rendszermodulok: • folyamatkezelés • a központi tár kezelése • perifériakezelés • állománykezelés • védelmi mechanizmusok • hálózatkezelés • kezelői felület

11. Megszakítások Megszakítás (Interrupt) – olyan esemény vagy jelzés, amely egy vagy több folyamat működését befolyásolja Kiszolgálási sorrend – prioritás alapján Kiszolgálása: Megszakítás elkezelése Futó program Megszakítás elkezelése Program folytatása

12. Felhasználóiprogramok Felhasználóiprogramok Felhasználóiprogramok Rendszerhívások, válaszok Processzorkezelés Memóriakezelés Állománykezelés Erőforrás kezelés Megszakítás-kezelő Eszköz-kezelő Interaktív rendszerek SHELL Felhasználói felület K ERNEL(CORE) CPU Memória P E R I F É R I Á K, H A R D W A R E

13. Folyamatok Folyamat = végrehajtás alatt álló program • felhasználói folyamat, rendszerfolyamat Állapotai: • Fut • Várakozik • Futásra kész létrejön Futásra kész elindul eseménybekövetkezik futásamegszakad Várakozik Fut megszűnik eseményrevár

14. Folyamatleírók és szálak Folyamatleíró – a folyamatok kezeléséhez szükséges információ Szál – pehelysúlyú folyamat, kezeléséhez kevesebb adat szükséges • általában csak saját regiszterei és verme van • a kód- és adatterületen és egyéb erőforrásokon más szálakkal osztozik Előnye: • gyors a váltás közöttük • a közösen használt tárterület miatt egyszerű az információcsere

15. Felhasználói felület – Task Manager

16. Feladatkezelő Task Manager

17. Prioritáskezelés

18. Prioritáskezelés W7

19. Ütemezés Tevékenység, amelynek eredménye dönti el, hogy a következő pillanatban mely folyamat használhat egy adott erőforrást vagy erőforráscsoportot. Látható eredménye: • CPU kihasználtság (hány %-ban hajt végre folyó utasítást) • átbocsájtó képesség (időegység alatt lefutó folyamatok) • várakozási idő (tétlen várakozás) • válaszidő (indítástól az első futás kezdetéig) Ütemezési algoritmusok: legrégebben várakozó (sor) legrövidebb előnyben körbeforgó (időszelet) prioritásos

20. Services.exe Winmgmt.exe Svchost.exe Winlogon Lsass Services Control Manager Spooler User Application Explorer TaskManager Subsystem DLLs Windows XP Executive Kernel-mode callable interfaces I/O Manager Object Manager SecurityReference Monitor Process Manager LocalProcedure Call Facility VirtualMemoryManager Win32KWindowManager & GDI Hardware DeviceDrivers Graphics Device Drivers Kernel Hardware Abstraction Layer (HAL) Hardware Interfaces A rendszer architektúrája (XP) Serviceprocesses Systemsupportprocesses Applications Environmentsubsystems Session Manager Win32 Ntdll.dll User mode Kernel mode

21. Állománykezelés • Állomány (fájl): • valamely háttértárolón elhelyezkedő adatok egyedi azonosítóval rendelkező együttese; • az adattárolás egysége a felhasználó szempontjából. • Állományszervezés: az operációs rendszer azon tevékenységeinek összessége, amely a felhasználói információk háttértárolón történő elhelyezésével, azonosításával és visszakeresésével kapcsolatos.

22. Az állománykezelésben részt vevő komponensek • A felhasználó által megadott azonosító alapján az állománykezelő meghatározza a keresett információ fizikai helyét, és (szükség esetén az eszközvezérlő segítségével) utasítja a háttértár író/olvasó mechanizmusát a megfelelő művelet elvégzésére.

23. Állomány tulajdonságok • fájlnév • típus • időbélyegek: • keletkezésének időpontja, • utolsó megnyitás, utolsó módosítás • méret • jellemzők (attribútumok) • jogosultságok

24. Állományműveletek • létrehozás • az állománykezelő a háttértár alkalmas (méretű) területét lefoglalja • megnyitás • fájlleíró tábla (FCB – File Control Block), ami tartalmazza az állomány elhelyezkedésével és kezelésével kapcsolatos információkat • A megnyitás módjai: • olvasásra • írásra, mely lehet: módosítás, hozzáfűzés, felülírás • lezárás • az FCB megszüntetése, az állomány tartalmánakrögzítése a háttértáron. Lezárt állománnyal állományszintű művelet nem végezhető.

25. Könyvtár • az operációs rendszer által használt, adminisztratív célokat szolgáló állomány, amely a felhasználói információt tartalmazó állományok logikai csoportosítását a fizikai elhelyezkedésük tárolásával teszi lehetővé; • a (felhasználói) állomány elhelyezkedésének logikai struktúráját tükröző bejegyzés. • A könyvtár nem más, mint egy nyilvántartás • rugalmasság: előre nem ismert, hogy a könyvtárban hány állomány információit fogjuk tárolni – sőt ez az érték a felhasználás közben folyamatosan változik. • csoportosíthatóság: tetszőleges szempontok szerint. • gyors visszakeresés: a könyvtárak szerepe abban áll, hogy segítsenek a nagyszámú állomány között megtalálni a számunkra fontosat

26. Hierarchikus fastruktúra Ez a struktúra egy körmentes, irányított gráffal írható le, amelynek pontosan egy kiinduló csúcspontja (gyökér) van, és minden más pontjába pontosan egy út vezet a gyökértől. Az egyes csúcsokból tetszés szerinti számú (irányított) él vezet más csúcsokhoz, azt a csúcsot, ahonnan egy él kiindul,szülőnek [<DIR> .], ahová vezet,gyereknek (alkönyvtár) [<DIR> ..]nevezzük.

27. Lemez és fájlkezelés Elvárások a LEMEZKEZELÉS terén: • szabad terület kezelése • merevlemez partíciók létrehozása, törlése, formázása… • partíciók kombinálása • kötetek (volume) kialakítása • lemezhasználat korlátozása Elvárások a FÁJLKEZELÉS terén: • fájlrendszerek: FAT, FAT32, NTFS, CDFS • hosszú fájlnevek használata • fájl/könyvtártömörítés, titkosítás NTFS partíción • jogosultságok beállítása • konvertálás NTFS fájlrendszerré

28. GB FAT32 Windows 95/98/ME/… WindowsNT OS/2 MS-DOS HPFS FAT Fájlrendszerek Windows Vista/W7 Windows XP/2003 Windows 2000 Windows NT NTFS Windows NT OS/2 0,4 0,3 0,2

29. Hosszú fájlnevek HOSSZUFÁJLNÉV.TXT HOSSZUFÁJLNÉV.TXT Windows 2000/XP/7/8 HOSSZU~1.TXT HOSSZU~1.TXT MS-DOS Windows 2000/ XP/7/8

30. Háttértár • Partíció (Partitio): a fizikai lemez egy része, amely úgy viselkedik, mintha fizikailag önálló lenne. Egy merevlemez akkor felel meg pontosan egy logikai lemeznek, ha egyetlen partíció van rajta. A háttértár fizikailag összefüggő(folytonosan sorszámozott szektorokat tartalmazó) önálló része, amely az operációs rendszer számára önálló adattároló egységként kezelhető. • Kötet (Volume): egy vagy több formázott partíció, amelyet egy fájlrendszer használ. Az NT-ben betűjel azonosítja, és fájlokat, könyvtárakat tartalmaz.

31. C: C: D: D: E: E: F: G: F: H: Tárolási mód Alaplemezek Dinamikustárolás Egyszerű kötet Csíkkötet Kifeszített kötet Elsődleges partíciók -vagy- RAID-5 kötet Kiterjesztett partíciók logikai meghajtókkal Tükrözött kötet

32. Dinamikus lemezkezelés Lemez 1 Új kötet (G) 100 MB NTFS Kifogástalan 3994 MB Nem lefoglalt Dinamikus 4094 MB On-line Az üres terület egyetlen logikai kötet lesz Lemez 2 Új kötet (G) 100 MB NTFS Kifogástalan 3994 MB Nem lefoglalt Dinamikus 4094 MB On-line Az adat az egymást követő lemezekre lesz írva Amikor az első lemez megtelik, a következőre kerül az adat

33. Fájlok, mappák tömörítése

34. Titkosítás Visszafejtés Fájlok, mappák titkosítása Halihó *&^1bg Halihó Felhasználó

35. Szerveren futó programok kezelése Felhasználók éscsoportok kezelése Biztonsági felügyelet, frissítések követése Nyomtató-kezelés Biztonsági mentés, helyreállítás Töredezettség-mentesítés Rendszeres adminisztrátori feladatok Rendszer Integritás ellenőrzése Hálózat felügyelete

36. Memóriák típusai és jellemzői

37. Windows memóriakezelés • A Windows alkalmazások nem látják közvetlenül a fizikai memóriát, hanem az ún. virtuális memóriával találkoznak. • 32-bites gépeken a processzor regiszterei32 biten tárolják a memóriacímeket, így a virtuális memória méretkorlátja 4 GB,64 biten 16 Exabyte. • a Windows kettéosztja a virtuális memóriát: a felső rész az övé, az alsó rész a felhasználói programoké. • A felső részben az ún. kernel-módú komponensek futnak, az alsó részben a user-módúak.

38. Az x86-os processzorok privilégium szintjei • 4 privilégiumszintet (ring) különböztetnek meg • a gyengébb szinten futó kód nem képes hozzáférni a magasabb szinten futó kódhoz rendelt memóriához. • A Windows-ok 2 szintet, a nullást és a hármast használják • a kernel szálai és a megszakítás-kezelők nullás szinten futnak • A felhasználói programok hármason • A kernel-módú komponensek (pl. az eszközmeghajtók) viszont láthatják a teljes virtuális memóriát

39. Címfordítás minden virtuális cím egy ún. Page Table Entry-hez (PTE) kapcsolódik, amely leírja, pontosan hol van a fizikai memóriában egy virtuális cím

40. Egy virtuális cím belső felépítése • A felső 10 bit egy ún. Page Directory Index nevű táblázatban mutat egy bejegyzésre, amely az előző ábrán már látott Page Table Entry-re mutat

41. Részletesebben • A memóriakezelő hardver (igen, ezt nem a Windows hajtja végre) előveszi az aktuálisan futtatott szálat tartalmazó processzhez tartozó Page Directory címét. • Minden egyes kontextus-váltásnál, amikor új processz kerül kiválasztásra, az operációs rendszer beállítja a Page Directory címét a processzor erre a célra kialakított regiszterébe (CR3-as regiszter).

42. Komponensek • Page Table Entry (PTE) • minden virtuális cím egy (PTE) -hez kapcsolódik, amely leírja, pontosan hol van a fizikai memóriában egy virtuális cím. Ezen indirekció teszi lehetővé, hogy az OS szabadon mozgathassa és megoszthassa az adatokat a fizikai memóriában • Page Directory Entry • 20-bites szám Page Frame Number

43. Virtuális címfordítás

44. Memóriavédelem A cél: • a megbízhatóan működő, robosztus operációs rendszer azaz, • hogy egyik folyamat se módosíthassa egy másik folyamat címtartományába tartozó memóriaterületeket, (kivéve az osztottan használt részeket).

45. Memóriavédelem megvalósítás szintjei • Kernel modulok adatstruktúrái a felhasználói módú folyamatok számára elérhetetlenek (HW megszakítás). • Folyamatonkénti diszjunkt (elkülönült) logikai címtartományok (az osztott kivételével). Elérés memóriakezelőn keresztül: • HW-rel támogatott logikai-fizikai transzformáció, • adott memórialap hozzáférésének szabályozása. • Processzorfüggő memória védelmi attribútumok: • r, w, x, • pl.: a kódszegmensek memóriaterületei ”r”-t kapnak.

46. Memóriafoglalás • Kernelkomponensek esetén nem mindig megengedett a lapozás, pl.: • kernelszinten megvalósított kölcsönös kizárás, • driver-ek által használt memóriaterületek. • Így a kernelkomponensek memória foglalása: • lapozott memória tárból (paged memory pool) vagy, • nem lapozott memória tárból (nonpaged memory pool) történhet.

47. Memóriakezelés 1. Felhasználói program Virtuális Memória Kezelő 2. Felhasználói program 00000000 Felhasználói programkód Globális változók Szálanként stack DLL kód Alkalmazások: 2 GB 1. Felhasználói program 1. Felhasználói program ...... 7FFFFFFF 80000000 Operációs rendszer Kernel, executive HAL Boot drivers Operációs rendszer: 2 GB C0000000 Fizikai memória C0800000 Pagefile.sys FFFFFFFF

48. A logikai címtér felépítése

49. A logikai címtér • Alkalmazás kód: • legfelső címtartomány a rendszer dinamikusan foglalt elemei, • nem minden cím használható (legalsók nem). • OPR: • kernel, HAL, executive, • processz lap tábla:memória címtranszformációs táblázatok.

50. A virtuális cím felépítése (x86) • Processzorfüggő. • A PDI (Page Directory Index) és PTI (Page Table Index) kijelöli az elérendő memórialapot. • A BI (Byte Index) a lapon belüli eltolást határozza meg.