• Co je to operační systém
• Proces
• Správa operační paměti
• Souborový systém
• Správa zařízení

• Aleš Keprt: Operační systémy
• Andrew Tanenbaum: Modern Operation Systems
• http://phoenix.inf.upol.cz/~outrata/courses/udit/syllabus.html

• základní softwarové vybavení počítače - rozhraní mezi uživatelem a hardware počítače
• umožňuje programům (aplikacím) běh na/v počítači pomocí programového rozhraní

(API) a uživatelům práci s počítačem pomocí svého uživatelského rozhraní (UI) a programů

• cíl: snadné a efektivní využití počítače (pro uživatele i aplikace)
• víceméně protichůdné požadavky - dříve důraz na efektivitu (a vůbec možnost), nyní spíše snadnost
• kompromis, závisí na způsobu využití a typu počítače → různé OS
• poskytuje abstrakci (funkcí) hardware počítače, odstiňuje uživatele a aplikace od hardware
• POSIX

• Virtuální počítač – OS prostředník mezi hardwarem a aplikačními programy
• Správa prostředků – OS přiděluje a odebírá systémové prostředky procesům

• Kernel (kernel) - vlastní OS,
• základní obslužné programy - pro práci s OS a zdroji počítače, např. administrátorské a

diagnostické nástroje, diskové utility, programy pro práci se zařízeními, sítí apod.

• uživatelské rozhraní (UI) - součást OS (jádra?) nebo programy? → záleží na typu OS,

neinteraktivní (dávkové), interaktivní - textová konzole s interpretem příkazů (shell) nebo

  grafické s okenním systémem

• Jádro je základním kamenem operačního systému. Zavádí se do operační paměti

počítače při startu a zůstává v činnosti po celou dobu běhu operačního systému.

• Druhy:
• Monolitické jádro – jádro je jedním funkčním celkem. Tento typ jádra je použit v operačním systému UNIX.
• Mikrojádro – jádro je velmi malé a všechny oddělitelné části pracují samostatně jako běžné procesy.
• Hybridní jádro – kombinuje vlastnosti monolitického jádra i mikrojádra.

Tento typ jádra je použit u operačních systémů Windows.

• univerzální - pro desktopové a přenosné počítače typu PC, servery, mainframe aj.
• embedded - specializované pro embedded zařízení, dnes i upravené univerzální (např. Linux, MS Windows)
• reálného času - zaručení vyřízení požadavku/odpovědi v pevně daném čase, např.

VxWorks, QNX, upravené univerzální (např. RTLinux, MS WindowsCE) i HW řešení, např. pro řízení strojů

• distribuované - pro běh současné na více počítacích, simulace např. jedné společné

paměti, pro počítačové klastry (cluster)

• dnes nejvíce používané: na desktopových PC MS Windows (majoritní), Mac OS X,

GNU/Linux, Unix, na (síťových) serverech unixové, na embedded zařízeních různé (MS Windows, Linux)

• Linux je označení pro jádro operačního systému. Na počítači se setkáte s tzv. distribucí.
• Nejznámější distribuce:
• Debian – Jedna z nejstarších distribucí
• Fedora – Sponzoruje firma Red Hat, jejíž distribuce je na tomto systému založena. http://centos.org
• Slackware – Jedna z prvních distribucí, vhodná spíše pro pokročilejší uživatele.
• Mandriva (dříve Mandrakelinux) – Tato distribuce používá balíčkovací systém RPM.
• SUSE – Původně samostatná distribuce, později koupena firmou Novell.
• Ubuntu – Tato distribuce vhodná pro začátečníky vychází z Debianu.
• přehled distribucí: http://distrowatch.org

• Operační systém (či správně operační systémy) Windows jsou asi nejznámější operační systémy.
• Druhy:
• Windows pro DOS
• 3.1x (1992)
• Win 95, 98, Me
• Windows NT (1993)
• Win 2000, XP, 7,8,8.1
• Windows CE
• Windows Mobile, Windows Phone

• program = sekvence (binárních) kódů instrukcí, registrů procesoru a dat (čísla, texty,

hodnoty adres do operační paměti a vstupně/výstupních zařízení)

• stejná (RISC) nebo proměnná (CISC) délka kódů instrukcí - 1 až 2 byty
• operandy = parametry instrukcí, registry a data, specický počet (obvykle 0 až 2),

přípustné kombinace pro každou instrukci

• výsledek instrukce často ukládán do prvního operandu
• vykonávání instrukce
• trvá určitý počet taktů (na vnitřní frekvenci procesoru), jednotky až desítky
• až 7 fází: např. načtení, dekódování, načtení operandů, provedení, uložení výsledku
• pipelining – částečně současné provádění instrukcí, fáze za sebou, nelze vždy, např. podmíněné skoky
• Superskalární architektura

• Jazyk symbolických adres („assembler“)
• jazyk (textově) pojmenovaných instrukcí, např. MOV, ADD, MUL, AND, CMP, JE, JMP, a registrů

procesoru, (zápisů) čísel a textu, hodnot adres, proměnných atd.

  MOV eax, promenna1; CMP ebx, promenna2; JE adresa
* překládán do kódu instrukcí
* přímá a nepřímá adresa do paměti - adresa vypočítána z hodnot v registrech a zadaných
  přímo, např. posunutí + báze + index x faktor, použití pro přístup do pole, k lokální proměnné apod.
* Vyšší programovací jazyky
* vyšší úroveň abstrakce, např. iterace přes prvky seznamu -> cyklus průchodu seznamem ->
  jména instrukcí procesoru (přesuny z/do paměti, log. operace, skoky aj.) -> kódy instrukcí
* [[cs>Překladač]] - přeloží (přepíše) program z jednoho (vyššího) prog. jazyka do jiného (nižšího)
  jazyka, typicky až do kódù instrukcí
* interpret - přeloží program z prog. jazyka do programových bloků interní formy a tyto vykoná

• Category:Interrupts
• původně pro řešení komunikace (rychlého) procesoru s (pomalými) zařízeními:
• dříve: vyslání požadavku, aktivní čekání na vyřízení (= smyčka testující stav oznamující

vyřízení), pokračování ve výpočtu

• dnes: vyslání požadavku, pokračování ve výpočtu zatímco zařízení zpracovává

požadavek, oznámení vyřízení požadavku = přerušení procesoru

• př. procesor vyšle požadavek čtení sektoru z disku (dá požadavek s číslem sektoru na

sběrnici) a pokračuje ve výpočtu, disk najde sektor, načte do své cache a vyvolá

  přerušení, procesor vyšle požadavek zaslání bytu dat, disk pošle, procesor uloží do
  operační paměti, další byte atd.
* pozastavení vykonávání programu, vykonání programu (rutiny) obsluhy přerušení
  implementované OS (např. ovladači zařízení), pokračování vykonávání programu (od
  následující instrukce)
* během vykonávání obsluhy přerušení další přerušení zakázána nebo systém priorit přerušení

• hardwarová - přídavné karty (dříve), disková zařízení (dříve), vstupně/výstupní zařízení

aj., 256 přerušení u Intel 80×86

• softwarová - vyvolána OS pro vlastní potřeby fungování, programy pro služby OS (tzv. systémová volání)
• DMA (Direct Memory Access) - způsob přenosu dat mezi zařízením a pamětí přímo, pro

větší množství dat, např. disková zařízení, procesor pouze naprogramuje řadič DMA a

  vyšle prvotní požadavek, zbytek řeší řadič

• Proces (program) je spuštěný program
• Vlákno je prvek reprezentující vykonávání kódu procesu. Neformálně řečeno, vlákno je

„vykonávání kódu“, zatímco proces je „paměť a další prostředky“.

• Vytvořený (created)
• Běžící (running)
• Připravený (ready)
• Blokovaný (blocked)
• Ukončený (terminated)

obrázek

• Plánování procesů řeší výběr, kterému následujícímu procesu bude přidělen procesor a proces tak poběží.
• Tuto úlohu má na starosti plánovač (scheduler), který je součástí operačního systému.
• Plánovače používají dvě základní strategie:
• cyklickou obsluhu - každému procesu je přiděleno stejné časové kvantum
• systém priorit - každý proces má určitou prioritu s tím, že procesům s vyšší prioritou je přidělován procesor přednostně
• V praxi se používá kombinace obou strategií

• Při přepínání procesů je nutné, aby proces po opětovném spuštění pokračoval od

stejného místa, ve kterém byl přerušen a aby v procesu až na časové zpoždění nebylo

  poznat, že k přerušení došlo => [[cs>Změna kontextu|přepínaní kontextu]]
* uložení kontextu (anglicky context save) - kompletní uložení stavu procesu
* obnovení kontextu (anglicky context restore) – zpětné načtení stavu procesu do procesoru
* změna kontextu (anglicky context switch) - uložení kontextu jednoho a obnovení kontextu druhého

• pro procesy a pro vlákna Multitasking
• procesy jsou paměťově oddělené (každý má svoji přidělenou paměť) - komunikace

pomocí speciální sdílené paměti a posíláním zpráv IPC

• vlákna sdílejí paměť procesu - komunikace pomocí sdílení paměti → soupeření (race) o

sdílenou paměť a jiné zdroje počítače, zvláště při více procesorech

• chyba souběhu (race condition) = chybné pořadí běhu vedoucí k nekonzistetním stavům

při konfliktních operacích, např. čtení-zápis - fáze operací (i instrukcí procesoru) např.

  čtení z paměti, operace, zápis do paměti

• určení specifického pořadí běhu
• atomické operace = nedělitelné, nepřerušitelné, sekvenčně prováděné (ty konfliktní),

např. nastavení nebo inkrementace atomické proměnné, použití pro implementaci tzv.

  synchronizačních primitiv
* [[cs>synchronizační primitiva]]: zámek ([[cs>mutex]]), [[cs>semafor]] (počítadlo), [[cs>kritická sekce]], událost, monitor a další
* hardwarová podpora: atomické instrukce procesoru (test-and-set, fetch-and-add,
  compare-and-swap aj.), zakázání přerušení (při jednom procesoru), preempce (při více procesorech)
* softwarové implementace: Dekkerův (1965), Petersonův (1981) algoritmus, vyžadují atomické uložení hodnoty do proměnné
* implementovaná a poskytovaná OS, ale i využívaná v rámci samotného OS!

• vzájemné čekání na výlučně vlastněné zdroje (např. chráněné zámky) při modelu využívání

„požadavek na přivlastnění-používání-uvolnění”

• podmínky vzniku:

1. výlučné vlastnictví,

  2. čekaní při vlastnictví jiného,
  3. vzájemné (cyklické) čekání,
  4. nemožnost [[cs>preempce]] (násilné odebrání prostředku)
* řešení deadlocku:
* neřešení (ignorování),
* detekce a zotavení,
* prevence (zamezení vzniku, tj. nenaplnění podmínek),
* vyhýbání se (přidělování prostředkù tak, aby nenastaly podmínky)
* dnešní OS neřeší (ignorují)

• S operační pamětí souvisí především tyto funkce, na kterých se podílí hardware a operační systém:
• přidělování (alokace) a uvolňování (dealokace) paměti procesům na požádání
• udržování informací o obsazení paměti
• zabezpečení ochrany paměti – zabránění přístupu procesu k paměti mimo jeho přidělený region
• realizace virtuální paměti

• Operační systém může přidělovat procesům buď:
• souvislé úseky paměti
• přidělování pevných bloků paměti
• přidělování bloků paměti proměnné velikosti
• nebo malé bloky paměti – stránky
• fyzický adresový prostor - rámce
• logický adresový prostor – stránky
• Kdykoliv proces přistupuje do paměti, je logická adresa hardwarově přeložena na fyzickou adresu

• Operační paměť (zde se jí říká primární) rozšířena o místo na pevném disku (sekundární

paměť), které je sice výrazně pomalejší, ale také výrazně lacinější

• Systém virtuální paměti funguje stejně jako stránkování, jen fyzický prostor je rozšířen o místo na disku
• Při přístupu procesu ke stránce, která není v primární paměti zajistit její nahrání do primární paměti.
• Pokud není v primární paměti volné místo, je nutno ještě nějakou stránku z primární

paměti přemísti do sekundární. Tomuto procesu se říká swapování. honza: celá? tato kapitola je nesmysl? viz Stránkování paměti, viz stránkování na disk. Virtuální paměť je podle mne o tomto: Virtual memory Virtual address space

• Úkolem operačního systému je především:
• Umožnit procesům ukládat velké množství informací obvykle ve formě souborů.
• Umožnit přístup k těmto informacím všem procesům, které o to požádají.
• Aby bylo možné tyto úkoly správně plnit, musí být data ve vnější paměti nějak

organizována. Organizaci těchto dat se říká souborový systém.

• Nejčastější způsob organizace dat je pomocí hierarchického uspořádání souborů a adresářů.

• Pevné disky jsou obvykle na fyzické úrovni rozděleny na oddíly (partitions).
• Souborový systém se rozkládá jen na konkrétním oddílu a ne na celém disku.

honza: hmm, a co Logical Volume Management

• Operační systém vnímá jednotlivé oddíly jako tzv. svazky (volumes), které se do systému

připojují pomocí tzv. mountování (2/mounting).

• Soubor je pojmenovaná posloupnost bytů, která je uložena na nějakém datovém médiu (pevný disk, CD disk, flash disk, …)
• Každý soubor je charakterizován svým jménem.
• Část jména, která je za znakem „.“, se nazývá přípona názvu souboru.
• Většina operačních systému podporuje různé druhy souborů. Nejzákladnější rozdělení je na:
• Normální soubory – soubory, které obsahují uživatelské informace. Tyto se pak rozdělují na textové a binární soubory.
• Adresáře – systémové soubory, které udržují strukturu souborového systému.
• honza: UNIX “všechno je soubor”

• Atributy - další informace o souboru:
• délka – velikost souboru v počtech bajtů,
• přístupová oprávnění – kdo smí se souborem pracovat (čtení, zápis, …) pro uživatele a skupiny,
• vlastník – uživatel vlastnící soubor (též skupina),
• časové informace (čas vytvoření, čas posledního přístupu k souboru, čas poslední změny v obsahu souboru, …).
• Tyto atributy jsou většinou uloženy v adresáři, ve kterém je soubor uložen
• existují ještě rozsířené atributy

• Adresář je zvláštní druh souboru, který obsahuje množství záznamů
• Každý záznam se týká jednoho souboru (normálního nebo adresáře) a obsahuje jeho

jméno, atributy a adresu, kde je na disku uložen.

• Některé operační systémy umožňují vytvořit jen jeden adresář (tento se nazývá kořen – root), který obsahuje všechny soubory
• Většina moderních operačních systémů však umožňuje vytvářet libovolné množství

adresářů, které vytvářejí hierarchickou strukturu souborového systému.

• Cesta - určuje posloupnost adresářů od kořenového adresáře až k samotnému souboru

• V souborovém systému rozlišujeme dva druhy linků:
• Hard link což je ukazatel na fyzické tělo souboru. Každý pojmenovaný soubor na disku

je tedy vlastně hard link. Moderní operační systémy umožňují vytvářet více hard linků k jednomu souboru.

• Soft link je odkaz na jiný soubor, který je specifikován jeho cestou.

• FAT32 je jednoduchý souborový systém, proto je podporován prakticky všemi operačními systémy
• FAT tabulka
• kořenový adresář
• NTFS byl navržen jako souborový systém pro Windows NT
• podpora pro přidělování práv k souborům
• kompresi na úrovni souborového systému
• šifrování
• diskové kvóty umožňující nastavit maximálně využitelné místo na diskovém oddíle pro konkrétního uživatele
• struktura
• bootovací sektor
• master file table (MFT), což je seznam všech souborů na disku
• systémové soubory
• ostatní soubory.
• UFS (Unix File Systém) je souborový systém používaný v Unixu

• Jednou ze základních funkcí operačního systémů je správa vstupně výstupních zařízení
• Vstupní zařízení se dělí na:
• Bloková (například disky). V těchto zařízeních se data ukládají v blocích (nejčastější

velikost bloku je od 128 B do 1 024 B), které mají svou adresu. Základní vlastností

  těchto zařízení je to, že umožňují čtení či zápis celého bloku.
* Znaková (například klávesnice, myši, tiskárny). Tato zařízení pracují s proudy znaků,
  které nemají žádnou adresu. Data se tedy čtou a jsou i ukládána po znacích.

• Úkolem operačního systému při správě zařízení je především:
• Zajistit nezávislost na zařízení. To znamená, že například můžeme napsat program,

který vytváří a ukládá soubory na libovolná zařízení (disk, flash disk, …) a pro každé

  z těchto zařízení není potřeba tento program měnit.
* Zajistit ošetření chyb zařízení. Při čtení nebo zápisu na zařízení se může vyskytnout
  chyba. Operační systém by měl tuto chybu odstranit, pokud to jde, a pokud ne, měl by
  tuto chybu ošetřit (pokusit se o danou akci znovu, ohlásit chybu, …).
* Zajistit sdílení zařízení. Každé zařízení může využívat více uživatelů v tu samou chvíli.
* Tyto cíle zajišťuje operační systém pomocí ovladačů zařízení

• Disky jsou vstupně-výstupní zařízení, které slouží pro zápis a čtení dat, obvykle ve formě souborů
• Nevýhodou oproti operační paměti je větší časová náročnost při čtení i ukládání dat. Čas pro tyto operace se skládá z:
  • hledání – přesunu ramena nad odpovídající cylindr,
  • rotace – čas pro najetí správného sektoru pod čtecí hlavu,
  • přenos dat – čtení sektoru.

• RAID je metoda zabezpečení dat proti selhání pevného disku
• Zabezpečení je realizováno specifickým ukládáním dat na více nezávislých disků, kdy jsou

uložená data zachována i při selhání některého z nich

• Metody:
• Pruhování
• Zrcadlení
• Druhy: RAID 0, RAID 1, RAID 5, RAID 6

• J. Hronek: Struktura počítačů
• P. Tišnovský: Seriál Co se děje v počítači (http://www.root.cz/serialy/co-se-deje-vpocitaci/)
• http://phoenix.inf.upol.cz/~outrata/courses/udit/syllabus.html

• Počítačové sítě, technologie a principy fungování. Celosvětová síť Internet a její služby.

• Studijní texty:
• P. Příhoda: Počítačové sítě
• uvt_3_pocitacove_site.pdf (Vyuka\KMI_UVT\vyukovy_text)
• Andrew S. Tanenbauma Computer Networks.
• Jiří Peterka: Báječný svět počítačových sítí (http://www.earchiv.cz/i_serial.php3)