Systemy operacyjne

Z Studia Informatyczne
Wersja z dnia 00:07, 16 cze 2006 autorstwa Dwa (dyskusja | edycje) (zamiana Ćwiczenia na Laboratorium)
Przejdź do nawigacjiPrzejdź do wyszukiwania

Forma zajęć

wykład (30 godzin) + laboratorium (30 godzin)

Opis

Celem przedmiotu jest przedstawienie roli i zadań systemu operacyjnego w oprogramowaniu komputera oraz omówienie zagadnień realizacji — algorytmów, struktur danych i ich implementacji. Prezentowane są techniki zarządzania podstawowymi zasobami sprzętowymi komputera — procesorem, pamięcią operacyjną oraz wirtualną i urządzeniami wejścia-wyjścia — oraz ich wpływ na efektywność funkcjonowania systemu jako całości. W kontekście zarządzania zasobami wprowadzana jest również koncepcja procesu oraz wątku. Następnie omawiana jest koncepcja pliku oraz realizacja systemu plików — warstwy logicznej i fizycznej — wraz z przykładami konkretnych implementacji (CP/M, FAT-12/16/32, ISO 9660, Unix, NTFS). Osobnym zagadnieniem, integralnie związanym z realizacją systemu operacyjnego, jest współbieżności i synchronizacja w sensie koordynacji przepływu sterowania. W kontekście podstawowych problemów synchronizacji, takich jak wzajemne wykluczania oraz ograniczone buforowanie, omawiane są podejścia do synchronizacji procesów bazujące na współdzielonych zmiennych, podejścia wspierane przez system operacyjny — semafory, oraz podejścia wymagające wsparcia w konstrukcjach programowych języków wysokopoziomowych — monitory, regiony krytyczne i spotkania (ang. rendezvous). Następnie realizowane są zadania, polegające na zastosowaniu omawianych mechanizmów do rozwiązania klasycznych problemów synchronizacji (problem producenta-konsumenta, czytelników i pisarzy, pięciu filozofów, śpiących fryzjerów itp.). Omawiany jest również problem wynikający z dostępu współbieżnych procesów do zasobów — zakleszczenie oraz podejścia do rozwiązywania tego problemu.

Sylabus

Autor

  • Jerzy Brzeziński
  • Dariusz Wawrzyniak

Wymagania wstępne

  • Wstęp do programowania
  • Umiejętność programowania w języku C
  • Elementarna wiedza z zakresu architektur komputerów

Zawartość

Wykład

  • Rola i zadania systemu operacyjnego oraz jego umiejscowienie w strukturze oprogramowania systemu komputerowego
  • Klasyfikacja systemów operacyjnych
  • Ogólna zasada działania systemu operacyjnego — sposób przekazywania sterowania do programu jądra
  • Koncepcja procesu i zasobu oraz ich opis i identyfikacja
  • Zarządzanie procesorem — szeregowanie zadań
  • Zarządzanie pamięcią operacyjną — podział pamięci, przydział, zjawisko fragmentacji, segmentacja i stronicowanie
  • Realizacja pamięci wirtualnej — obsługa błędu strony, problem wymiany stron i wznawiania rozkazów, implementacja algorytmów wymiany
  • Zarządzanie urządzeniami wejścia-wyjścia — podsystem wejścia-wyjścia, sposoby interakcji jednostki centralnej z urządzeniami wejścia-wyjścia, buforowanie i spooling
  • Urządzenia dyskowe — funkcjonowanie i parametry dysku, algorytmy sterowania ruchem głowic, macierze dyskowe
  • System plików — pojęcie pliku, jego struktury i typu, organizacja logiczna systemu plików, organizacja fizyczna systemu plików, przykłady implementacji
  • Ochrona zasobów — domeny ochrony, macierz dostępów i jej implementacja
  • Współbieżność — instrukcje atomowe, przeplot i istota synchronizacji
  • Poprawność programów współbieżnych — bezpieczeństwo i żywotność
  • Wzajemne wykluczanie — algorytmy Dekkera, Dijkstry, Petersona, Lamporta
  • Instrukcje atomowe test&set oraz exchange
  • Semafory — klasyfikacja i implementacja
  • Monitory
  • Regiony krytyczne
  • Spotkania
  • Zakleszczenie — warunki konieczne, zapobieganie, unikanie, detekcja i usuwanie.

Laboratorium

  • Użytkowanie uniksopodobnego systemu operacyjnego: poruszanie się w systemie plików, obsługa plików i katalogów, obsługa procesów, potoki i filtry, skrypty powłoki
  • Programowanie z wykorzystaniem funkcji jądra uniksopodobnego systemu operacyjnego: tworzenie i dostęp do plików, tworzenie i obsługa procesów, uruchamianie programów, wątki i ich synchronizacja, sygnały, komunikacja strumieniowa za pośrednictwem łączy, mechanizmy grupy IPC

Literatura

Wykład

  1. G. Nutt. Operating Systems. A Modern Perspective. wydanie 2, Addison Wesley Longman, Inc., 2002.
  2. W. Stallings. Systemy operacyjne. Robomatic, Wrocław, 2004.
  3. L. Bic, A. C. Shaw. The Logical Design of Operating Systems. Prentice-Hall, Inc, 1988.
  4. A. Silberschatz, J.L. Peterson, G. Gagne. Podstawy systemów operacyjnych. WNT, Warszawa, 2005.
  5. A. S. Tanenbaum. Modern Operating Systems. wydanie 2, Prentice-Hall, Inc, 2001.
  6. M. J. Bach. Budowa systemu operacyjnego Unix®. WNT, Warszawa, 1995.
  7. B. Goodheart, J. Cox. Sekrety magicznego ogrodu. UNIX® System V Wersja 4 od środka. WNT, Warszawa, 2001.
  8. U. Vahalia. Jądro systemu UNIX®. Nowe horyzonty. WNT, Warszawa, 2001.
  9. D. A. Solomon, M. E. Russinovich. Microsoft Windows® 2000 od środka. Helion, Gliwice, 2003.
  10. R. Lowe. Kernel Linux. Przewodnik programisty. Helion, Gliwice, 2004.

Laboratorium — użytkowanie

  1. C. Sobaniec. System operacyjny Linux — przewodnik użytkownika. Nakom, Poznań, 2002.
  2. J. Marczyński. UNIX użytkowanie i administrowanie. wydanie 2, Helion, Gliwice, 2000.
  3. P. Silvester. System operacyjny Unix™. WNT, Warszawa, 1990.
  4. Z. Królikowski, M. Sajkowski. UNIX dla początkujących i zaawansowanych. Nakom, Poznań, 1996.

Ćwiczenia — programowanie

  1. W. R. Stevens. Programowania w środowisku systemu UNIX. WNT, Warszawa, 2002.
  2. J. S. Gray. Komunikacja między procesami w Unixie. ReadMe, Warszawa, 1998.
  3. M. J. Rochkind. Programowanie w systemie Unix dla zaawansowanych. WNT, Warszawa, 1993.
  4. Z. Guźlewski, T. Weiss. Programowanie współbieżne i rozproszone w przykładach i zadaniach. WNT, Warszawa, 1993.
  5. R. W. Stevens. Programowanie zastosowań sieciowych w systemie Unix. WNT, Warszawa, 1995.
  6. M. Gabassi, B. Dupouy. Przetwarzanie rozproszone w systemie Unix. Lupus, Warszawa, 1995.

Moduły

Wykład

  1. Wstęp
    • Treść wykładu
      1. Definicja systemu operacyjnego
      2. Miejsce systemu operacyjnego w organizacji oprogramowania komputera
      3. Ogólna struktura systemu operacyjnego
      4. Zadania systemu operacyjnego
      5. Klasyfikacja systemów operacyjnych
      6. Zasada działania systemu operacyjnego
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia: wielowarstwowa organizacja oprogramowania komputera, system operacyjny (wsadowy, interaktywny, wielozadaniowy), jądro systemu operacyjnego, cykl rozkazowy, przerwanie (zewnętrzne, programowe, diagnostyczne), ochrona pamięci.
  2. Procesy i zasoby
    • Treść wykładu
      1. Koncepcja procesu i zasobu
      2. Zarządca procesów i zarządca zasobu
      3. Struktury danych na potrzeby zarządzania procesami i zasobami
      4. Klasyfikacja zasobów
      5. Stany procesu i cykl zmian stanów
      6. Kolejki procesów
      7. Przełączanie kontesktu
      8. Planiści: krótkoterminowy, śrdednioterminowy i długoterminowy
      9. Wątki
      10. Użytkownicy
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia: proces, kontekst procesu, deskryptor procesu, zarządca procesów, stan procesu, kolejka procesów, planista, zasób (odzyskiwalny, nieodzyskiwalny, wywłaszczalny, niewywłaszczalny), deskryptor zasobu, zarządca zasobu, wątek, użytkownik (końcowy, programista, administrator).
  3. Szeregowanie
    • Treść wykładu
      1. Ogólna koncepcja planowania przydziału procesora
      2. Komponenty jądra na potrzeby planowania przydziału procesora
      3. Planowanie wywłaszczające i niewywłaszczające
      4. Funkcja priorytetu i jej parametry
      5. Kryteria oceny algorytmów planowania przydziału procesora
      6. Przykłady algorytmów planowania przydziału procesora
      7. Implementacja algorytmów planowania
      8. Planowanie przydziału procesora w systemach Unix, Linux i Windows
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia: priorytet procesu, wywłaszczanie, planowanie priorytetowe, planowanie rotacyjne, wykorzystanie procesora, przepustowość, czas oczekiwania, czes reakcji, czas cyklu przetwarzania.
  4. Zarządzanie pamięcią
    • Treść wykładu
      1. Pamięć a przestrzeń adresowa
      2. Obraz procesu w pamięci
      3. Problem ochrony i współdzielenia pamięci
      4. Podział i przydział pamięci
      5. Fragmentacja
      6. Stronicowanie i segmentacja
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia: hierachia pamięci, przestrzeń adresowa, adres logiczny i fizyczny, wiązanie adresu, transformacja adresu, fragmentacja pamięci (zewnętrzna i wewnętrzna), strona pamięci, segment pamięci.
  5. Pamięć wirtualna
    • Treść wykładu
      1. Stronicowanie na żądanie
      2. Błąd strony i jego obsługa
      3. Problem zastępowania i wznawiania rozkazów
      4. Algorytmy wymiany i ich klasyfikacja
      5. Anomalia Belady'ego
      6. Problemy implementacji algorytmów wymiany
      7. Zarządzanie pamięcią w systemach Unix, Linux i Windows
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia: stronicowanie na żądanie, bit poprawności, błąd strony, wymiana stron, problem wznawiania rozkazów, bit modyfikacji, bit odniesienia, algorytm wymiany, zbiór roboczy, wstępne sprowadzanie, efektywność działania systemu pamięci wirtualnej.
  6. Urządzenia wej-wyj
    • Treść wykładu
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia:
  7. Dyski
    • Treść wykładu
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia:
  8. System plików
    • Treść wykładu
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia:
  9. Współbieżność
    • Treść wykładu
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia:
  10. Wzajemne wykluczanie
    • Treść wykładu
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia:
  11. Semafory
    • Treść wykładu
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia:
  12. Monitory i regiony krytyczne
    • Treść wykładu
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia:
  13. Zakleszczenie
    • Treść wykładu
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia:
  14. Ochrona zasobów
    • Treść wykładu
    • Najważniejsze pojącia i zagadnienia:

Laboratorium

Użytkowanie uniksopodobnego systemu operacyjnego (Linux)

  1. Wstęp oraz obsługa plików i katalogów (3 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Logowanie do systemu
      2. Pomoc systemowa – polecenie man
      3. Programy pomocnicze -- polecenia whatis, whereis, apropos
      4. Znaki specjalne
      5. Struktura katalogów w systemie
      6. Przemieszczanie się po strukturze katalogów – polecenia: pwd, ls, cd
      7. Tworzenie, usuwanie, zmiana nazwy plików – polecenia touch, rm, mv, cp
      8. Tworzenie, usuwanie, zmiana nazwy katalogów – polecenia mkdir, rmdir
      9. Wyszukiwanie plików – polecenia locate, find
      10. Dowiązania – polecenie ln
    • Opanowane umiejętności: logowanie, korzystanie z pomocy systemowej, poruszanie się w systemie plików, kopiowanie, usuwanie i przesuwanie plików, tworzenie i usuwanie katalogów, przeszukiwanie systemu plików.
  2. Obsługa procesów w systemie (1 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Identyfikatory procesów w systemie operacyjnym
      2. Lista procesów w systemie – polecenie ps
      3. Hierarchia procesów w systemie – polecenie pstree
      4. Wyszukiwanie procesów – polecenie pgrep
      5. Priorytety procesów – polecenia nice, renice
      6. Uruchamianie procesów w tle – znak & i polecenia fg, bg
      7. Sygnały i ich obsługa
    • Opanowane umiejętności: wyszukiwanie i identyfikacja procesów, usuwanie (zabijanie) procesów, zmiana priorytetu, uruchamianie procesów pierwszo- i drugoplanowych.
  3. Filtry, strumienie standardowe oraz przetwarzanie potokowe (4 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Strumienie standardowe i ich przekierowywanie
      2. Podstawowe filtry – polecenia cat, head, tail, grep, wc, tr, cut, sort, uniq
      3. Przetwarzanie potokowe z zastosowaniem filtrów systemowych
    • Opanowane umiejętności: uruchamianie procesów z przekierowaniem wejścia lub wyjścia do pliku, łączenie procesów w potoki, zastosowanie podstawowych filtrów
  4. Tworzenie skryptów powłoki systemu operacyjnego (4 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Zmienne środowiskowe oraz ich eksportowanie – polecenia set, env, echo, export
      2. Argumenty wywołania skryptów
      3. Instrukcja warunkowa
      4. Pętle while oraz for
      5. Pobieranie wartości w trakcie wykonywania skryptów
      6. Uruchamianie skryptów z debugowaniem
    • Opanowane umiejętności: tworzenie skryptów w języku powłoki, urchamianie skryptów, przekazywanie i obsługa parametrów.

Programowanie w języku C z wykorzystaniem funkcji jądra uniksopodobnego systemu operacyjnego (Linux)

  1. Obsługa systemu plików (2 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Otwieranie plików i ich deskryptory – funkcja open
      2. Tworzenie plików
      3. Odczyt i zapis do plików – funkcje read, write
      4. Implementacja przykładowych programów obsługi plików
    • Opanowane umiejętności: tworzenie plików oraz dostęp do zawartości plików.
  2. Obsługa procesów w systemie (2 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Procesy macierzyste i potomne
      2. Tworzenie procesów potomnych – funkcja fork, wait
      3. Uruchamianie programów – funkcje exec
      4. Przekierowywanie strumieni standardowych
      5. Implementacja przykładowych programów obsługi procesów
    • Opanowane umiejętności: tworzenie procesów, urchamianie programów w procesach oraz przekierowanie wyników standardowych programów uniksowych do pliku.
  3. Obsługa potoków (4 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Tworzenie potoków nienazwanych – funkcja pipe
      2. Tworzenie potoków nienazwanych – funkcja mkfifo - oraz ich otwieranie
      3. Przykłady przetwarzania potokowego
      4. Implementacja przykładowych programów obsługi potoków
    • Opanowane umiejętności: realizacja komunikacji potokowej (strumieniowej) między lokalnymi procesami.
  4. Tworzenie i obsługa wątków (4 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Tworzenie wątków – funkcja pthread_create
      2. Przekazywanie parametrów do funkcji wątków i pobieranie wyników – funkcaj pthread_join
      3. Synchronizacja wątków – grupa funkcji pthread_mutex i pthread_cond
      4. Implementacja przykładowych programów obsługi wątków
    • Opanowane umiejętności: tworzenie i usuwanie wątków, synchronizacja wątków (wzajemne wykluczanie, usypianie i budzenie).
  5. Mechanizmy IPC: kolejki komunikatów (2 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Tworzenie kolejek komunikatów – funkcja msgget
      2. Wysyłanie i odbieranie komunikatów – funkcje msgsnd, msgrcv
      3. Parametry i usuwanie kolejek komunikatów – funkcja msgctl
      4. Obsługa mechanizmów IPC w konsoli systemu – polecenia ipcs, ipcrm
      5. Implementacja przykładowych programów obsługi kolejek komunikatów
    • Opanowane umiejętności: realizacja przekazywania komunikatów pomiędzy lokalnymi procesami.
  6. Mechanizmy IPC: pamięć współdzielona (2 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Tworzenie i obsługa pamięci współdzielonej – funkcja shmget
      2. Przyłączanie pamięci współdzielonej do procesu – funkcja shmat
      3. Odłączanie pamięci współdzielonej od procesu – funkcja shmdt
      4. Parametry pamięci współdzielonej – funkcja shmctl
      5. Implementacja przykładowych programów obsługi pamięci współdzielonej
    • Opanowane umiejętności: tworzenie i udstępnianie segmentów pamięciu w celu przkazywania danych pomiędzy lokalnymi procesami
  7. Mechanizmy IPC: semafory (2 godz.)
    • Treść zajęć laboratoryjnych
      1. Zasada działania semaforów binarnych i uogólnionych
      2. Tworzenie semaforów – funkcja semget
      3. Operacje na semaforach – funkcja semop
      4. Parametry semaforów i ich inicjowanie – funkcja semctl
      5. Przykłady podstawowych problemów synchronizacji
      6. Implementacja przykładowych programów z synchronizacją wykorzystująca semafory
    • Opanowane umiejętności: tworzenie i inicjalizowanie semafrów w celu synchronizacji współbieżnych procesów (między innymi w dostępie do współdzielonej pamięci).
Źródło: „https://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=Systemy_operacyjne&oldid=2135”