II Systemy operacyjne Dr inż. Dariusz Skibicki

1. Co to jest system operacyjny System operacyjny to program kontrolujący pracę komputera. Dzięki systemowi operacyjnemu możliwe jest uruchamianie innych programów użytkownika. System operacyjny nadzoruje wykonywanie tych programów, udostępnia im zasoby komputera, np. pamięć, czas procesora, drukarki itp. To dzięki systemowi operacyjnemu możliwe jest zapisywanie danych na dyskach, komunikacja z innymi komputerami w sieci itd. Komputer jako urządzenie elektroniczne nie stanowi urządzenia zdolnego wykonywać żądane przez użytkownika zadania. Maszyna komputerowa, potrafi jedynie przetestować stan urządzeń wchodzących w jego skład oraz uruchomić system operacyjny.

2.1. Sposób kodowania danych Bit, najmniejsza możliwa jednostka informacji. Może posiadać wartość 0 lub 1 (stąd system binarny używany w komputerze). Fizycznie wartość 0 oznacza brak sygnału (prąd nie płynie), zaś 1 oznacza sygnał. Osiem bitów składa się na jeden bajt. Na n bitach można zapisać 2 do potęgi n różnych wartości. Podobnie jak dla bajtów, przedrostek kilo- (kilobit) oznacza 1024 bity, megabit to 1024 kilobity, gigabit to 1024 megabity, zaś terabit oznacza 1024 gigabity. Bajt, jednostka informacji złożona z ośmiu (najczęściej) bitów. Bajt może być samodzielnie adresowanym elementem pamięci komputera (komórka). Rozmiar bajtu dobrano tak, aby wystarczył do zapamiętania każdego znaku, np. litery, cyfry lub znaku typograficznego (a, 1, @) pupularnych kodów, np. kodu ASCII, dlatego bajt jest często utożsamiany ze znakiem. Binarny kod, sposób zapisu informacji za pomocą dwu symboli: 0 i 1, oparty na dwójkowym systemie liczbowym. Aby ograniczyć długość kodu binarnego wprowadzono sposób kodowania zapisu dwójkowego na ósemkowy lub szesnastkowy.

2.2. Liczby w kodzie binarnym System bitowy – dwójkowy Liczba zapisywana jest ciągiem liczb: 1 lub 0 1 = 1*23 +0*22 + 1*21 +0*20 = 10 System ósemkowy Liczba zapisywana jest ciągiem liczb: od 0 do 7 i następnie zamieniana na układ dwójkowy który po zestawieniu jest przekształcany 3 6 011110 = 0*25+ 1*24+ 1*23 +1*22 + 1*21 +0*20 = 30 System szesnastkowy Podobnie jak wyżej, liczba zapisywana jest ciągiem liczb: od 0 do 15 (0 do E) 1 E 00011110 = 0*27 + 0*26+ 0*25+ 1*24+ 1*23 +1*22 + 1*21 +0*20 = 30

2.3. Co to jest plik i do czego służy Plik jest to jednostka zapisu i przechowywania danych w komputerze. Plik jest ciągiem bitów danych, opatrzony nazwą i atrybutami. Dane są zapisane w postaci kodu binarnego, zależnie od zawartości pliku. Nazwa z reguły składa się z głównej części nazwy i tzw. rozszerzenia (oddzielonego kropką). System operacyjny składa się z pewnej liczby plików. Wszystkie składniki systemu a także rejestry i ustawienia przechowywane są w plikach na dysku pamięci masowej. Pliki mogą mięć następujące dodatkowe atrybuty: tylko do odczytu, tymczasowy, ukryty, archiwalny. Fragment pliku binarnego zapisanego w kodzie szesnastkowym

3.1. Zadania realizowane przez system operacyjny Komunikacja użytkownika z komputerem Tę rolę spełnia zewnętrzna warstwa systemu, nazywana powłoką (ang. shell), która umożliwia użytkownikowi uruchomienie aplikacji. Systemy operacyjne z uwagi na komunikację z użytkownikiem możemy podzielić na: a) Systemy tekstowe b) Systemy graficzne Okno Ikona Kursor Wiersz poleceń

3.2. Zadania realizowane przez system operacyjny Zarządzanie plikami Dane w systemie operacyjnym przechowywane są w postaci plików w urządzeniach zwanych pamięcią masową takich jak: dyski twarde, dyski elastyczne, karty pamięci. System operacyjny umożliwia użytkownikowi zarządzanie plikami dając mu możliwość ich tworzenia, kopiowania, przenoszenia i usuwania. Typowe typy plików wraz z atrybutami Pliki mogą być porządkowane, przez umieszczanie ich w drzewiastej strukturze katalogów Plik opisany jest za pomocą następujących informacji: nazwa pliku oraz rozszerzenie charakterystyczne dla typu pliku, rozmiar pliku podany w bajtach (B), kilobajtach (kB), megabajtach (MB), gigabajtach (GB) itd., data oraz godzina utworzenia pliku atrybuty, np. „tylko do odczytu”, „ukryty”

3.3. Zadania realizowane przez system operacyjny Zarządzanie zasobami maszyny System operacyjny obsługuje urządzenia wchodzące w skład komputera. Podstawowe zadania w tym zakresie to: Obsługa wewnętrznych i zewnętrznych elementów komputera takich jak: procesor, płyta główna, pamięć lub drukarka, skaner itp. Badanie stanu urządzeń oraz poprawności komunikacji. Udostępnianie urządzeń aplikacjom a tym samym użytkownikowi (np. udostępnienie drukarki w edytorze tekstu, skanera w programie graficznym, itp.), Chwilowe i trwałe odłączanie urządzeń od komputera. Urządzenia widziane przez system MS Windows XP Instalowanie urządzenia polega na pobraniu sterownika danego urządzenia, przypisaniu przerwań sprzętowych (ang. IRQ), oraz kanałów do komunikacji urządzeń z pamięcią komputera (ang. DMA).

3.4. Zadania realizowane przez system operacyjny Uruchamianie aplikacji System operacyjny nie zawiera programów użytkowych (np. edytorów tekstu, arkuszy kalkulacyjnych, itp.). Każda z aplikacji jest dołączana do systemu operacyjnego poprzez instalację. Aplikacje będące zazwyczaj zbiorem plików, są przez system operacyjny przechowywane w pamięci masowej. System operacyjny umożliwia ich uruchomienie na żądanie użytkownika. Systemy operacyjne z uwagi na liczbę jednocześnie wykonywanych zadań, np. uruchomionych aplikacji, dzielimy na: Systemy jednozadaniowe. System może jednocześnie wykonywać tylko jedno zadanie (ciąg instrukcji), (np. MS-DOS). Systemy wielozadaniowe. System może wykonywać w tym samym czasie kilka zadań, np. nadzorować proces drukowania w czasie edycji tekstu w programie. Typowym elementem obrazującym wielozadaniowość jest jednoczesne kopiowanie dwóch różnych zbiorów plików

3.5. Zadania realizowane przez system operacyjny Komunikacja z innymi maszynami Dzięki modułom systemu operacyjnego odpowiedzialnym za obsługę sieci komputerowych możliwy jest dostęp zarówno do sieci tzw. lokalnych (intranet) jak i globalnych (Internet obejmujący swym zasięgiem cały świat).

4. Warstwy systemu operacyjnego W każdym systemie operacyjnym występują mniej lub bardziej wyodrębnione warstwy składające się na architekturę systemu. W ogólnym modelu systemu operacyjnego można wyszczególnić następujące warstwy przypisując im wyszczególnione zadania: powłokę, stanowiącą interfejs użytkownika (komunikacja z użytkownikiem) , jądro systemu realizujące jego funkcje (zarządzanie plikami, uruchamianie aplikacji), warstwę odpowiedzialna za współpracę ze sprzętem (zarządzanie zasobami maszyny, komunikacja z innymi maszynami).

5.1. Historia systemów operacyjnych - Unix Lata 60-te – prace na systemem Multisc poprzednikiem Unixa 1969 – powstanie systemu Unix 1975 – UNIX edition 5 1975 – 1 BSD 1977 – UNIX edition 6 1978 – 3 BSD 1979 – UNIX edition 7 1982 – UNIX System III 1983 – UNIX System V Od 1984 – Powstanie odmian systemu Unix takich jak: Xenix, AIX, SunOS, Ultrix, HP-UX, Solaris, SVR4 1991 – Linux 0.01 1994 – Linux 1 1994 - do dziś – Kolejne odmiany systemów rodziny UNIX oraz odmiany Linuxa: Debian, Red HAT, SlackWare oraz ich następne modyfikacje Diagram obrazujący przemiany systemów opartych na Unix

5.2. Historia systemów operacyjnych – MS Windows 1983 – zapowiedź Microsoft Windows 1985 – prezentacja Microsoft Windows 1986 – Microsoft Windows 2.03 1990 – Microsoft Windows 3.0 1992 – Microsoft Windows 3.1 1993 – Microsoft Windows 3.11 oraz NT 1995 – Microsoft Windows 95 oraz NT 3.5 1996 – Microsoft Windows NT 4.0 1998 – Microsoft Windows 98 1999 – Microsoft Windows Milenium 2000 – Microsoft Windows 2000 2001 – Microsoft Windows XP 2003 – Microsoft Windows 2003 server Diagram obrazujący przemiany systemów rodziny Windows

6.1. Systemy operacyjne - DOS DOS – (ang. Disk Operating System), czyli Dyskowy System Operacyjny firmy Microsoft. System działa w trybie tekstowym. Wszystkie polecenia wydaje się za pomocą klawiatury. Budowa systemu DOS Widok ekranu z systemem DOS DOS jest systemem jednozadaniowym, to znaczy w dowolnej chwili tylko jeden program może pracować pod jego kontrolą.

6.2. Systemy operacyjne – Microsoft Windows 3.x Microsoft Windows 3.x to rodzina pierwszych znaczących graficznych system operacyjnym firmy Microsoft przeznaczonym dla komputerów PC. Okienka formalnie stanowiły nakładkę na system DOS, w rzeczywistości zawierały wiele cech systemu operacyjnego. Budowa systemu MS Windows 3.1 Windows 3.11 nie był w pełni wielozadaniowym system choć umożliwiał na uruchomienie kilku aplikacji jednocześnie Widok pulpitu systemu MS Windows 3.11

6.3. Systemy operacyjne – MS Windows 95, 98, Milenium MS Windows 95 to pierwszy 32-bitowy system operacyjny zbudowany na podstawie jego 16-bitowego poprzednika Windows 3.x MS Windows 95 oferuje pełną wielozadaniowość tylko dla aplikacji DOS. Budowa systemu MS Windows 95 i 98 MS Windows 98 oraz Milenium są to systemy których budowa jest bardzo zbliżona do Windows 95. Postęp jaki jest widzoczny do 98 i Milenium dotyczy głównie interfejsu oraz mechanizmów integracji z siecią internet. Widok pulpitu MS Windows 95, nowa rewolucyjna forma interfejsu

6.4. Systemy operacyjne – MS Windows NT, 2000 System MS Windows NT jest zbudowany podobnie jak systemy rodziny UNIX choć jego interfejs przypomina ten z Windows 95. Wyznaczył on nową tendencję rozwojową dla systemów operacyjnych przeznaczonych dla stacji roboczych. Budowa systemu MS Windows NT Windows NT to system w pełni wielozadaniowy. Każda uruchomiona aplikacja staje się oddzielnym procesem, dzięki czemu poprawność jej działania nie wpływa na inne uruchomione aplikacje Widok pulpitu systemu Windows 2000, duże podobieństwo do Windows 95 lecz bardziej zaawansowana grafika i animacja

6.5. Systemy operacyjne – MS Windows XP Microsoft Windows XP jest następcą systemu Windows 2000 w przypadku zastosowań profesjonalnych oraz następca Windows Millennium w przypadku zastosowań domowych. System Windows XP jest zbudowany na udoskonalonym mechanizmie Windows 2000, charakteryzuje się zmienionym wyglądem i rozszerza możliwości związane z zastosowaniami komputerów osobistych, głównie poprzez rozbudowę elementów obsługi nowych urządzeń. Windows XP jest systemem Microsoft którzy może pracować w trybie 64-bitowym Widok pulpitu systemu Windows XP, stosunkowo duże zmiany graficzne w nowym interfejsie, możliwość wyboru motywu graficznego

6.6. Systemy operacyjne – Unix Charakterystyczną cechą systemu Unix jest warstwowa architektura. Istotą budowy systemu jest jądro które otaczają warstwy zewnętrzne. Jak większość elementów systemu UNIX, rodzaj i wygląd interfejsu nie jest ustalony, zależy on modułów jakie zostaną włączone w skład systemu Budowa systemu UNIX UNIX to system w pełni wielozadaniowy system operacyjny Widok pulpitu systemu klasy UNIX o nazwie Solaris 8 ze środowiskiem OpenWindows.

6.7. Systemy operacyjne – Linux Linux to typowy przedstawiciel systemów klasy UNIX. Linux jest systemem w pełni 32-bitowym (jeśli działa na 32-bitowych maszynach) lub 64-bitowym (jeśli działa na procesorze 64-bitowym). Budowa systemu LINUX Widok pulpitu systemu klasy LINUX Red Hat 8 z interfejsem Gnome

6.8. Systemy operacyjne – BeOS Architektura systemu BeOS przypomina w pewnym stopniu architekturę Windows NT. BeOS oparty jest na mikrojądrze stanowiącym centralny element systemu. Budowa systemu BeOS BeOS jest systemem wielozadaniowym, którego zastowanie ukierunkowano na obsługę multimediów (grafika, dźwięk, film itp..) głównie dzięki zastowaniu 64-bitowej obsłudze systemu plików. Widok pulpitu systemu BeOS 5.

6.9. Systemy operacyjne – MacOS MacOS jest systemem operacyjnym z graficznym interfejsem użytkownika (GUI), działającym na komputerach Macintosh. Z tego względu przez długi czas był wzorem dla innych systemów operacyjnych. Jego architektura opiera się na tej z systemów klasy UNIX. Z uwagi na fakt że system MacOS produkowany jest przez producenta komputerów dla których jest przeznaczony jego stabilność i niezawodność jest znacznie wieksza niż systemów rodziny Microsoft Widok pulpitu systemu MacOS X, doskonała grafika w interfejsie Aqua.

7. Zastosowanie systemów operacyjnych Dobierając system operacyjny do używanego komputera należy mieć wyobrażenie o tym, do czego będzie on wykorzystywany. Z użytkowego punktu widzenia, systemy możemy podzielić na kilka grup: Systemy do domu. To takie systemy, na których będą działać gry i najbardziej podstawowe narzędzia - przeglądarki internetowe, procesory tekstu, oprogramowanie do korespondencji lub internetowych pogawędek itp. Systemy tej klasy powinny umożliwiać wyświetlanie trójwymiarowej i szybkiej grafiki, obsługiwać dźwięk, być łatwe w użytkowaniu i instalacji. Systemy do pracy. Wykorzystywane w biurze, zarówno w małych, jak i dużych firmach. W środowisku biurowym taki system operacyjny musi zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa i stabilności. Powinien też być łatwy w administracji i zarządzaniu (szczególnie w dużych firmach, gdzie koszty zarządzania wieloma stanowiskami komputerowymi są znaczące). Systemy serwerowe. Są to systemy dedykowane dla komputerów pełniących funkcję serwerów sieciowych. Główne cechy to wysoka stabilność ciągłej pracy oraz duża wydajność. Takie systemy posiadają rozbudowane narzędzia administracyjne oraz kontrolno-diagnostyczne i zabezpieczające.

8.1. Słowniczek GUI - Graficzny interfejs użytkownika. W GUI wyposażone są nowoczesne systemy operacyjne, jak Windows, Mac OS czy OS/2. Typowymi elementami GUI są okna, rozwijane menu, przyciski, paski przewijania, ikony i zakładki. Użytkownik korzysta z interfejsu za pomocą myszy i klawiatury., Klikając na graficzne reprezentacje poleceń zamiast wpisywać z klawiatury komendy. Programy napisane dla danego systemu operacyjnego zapożyczają i wykorzystują elementy jego graficznego interfejsu użytkownika - wygląd jego okien, przycisków, kolorystykę itd. Od ang. Graphical User Interface. Por. tekstowy interfejs użytkownika. API - Zbiór poleceń, za pomocą których programista wykorzystuje różne funkcje systemu operacyjnego lub uzyskuje od niego informacje. Część z tych poleceń można stworzyć samemu od podstaw (możliwość skorzystania z gotowych oszczędza jednak wiele pracy), ale istnieje także wiele poleceń API, których nie można zastąpić innymi. API na przykład pozwala bardzo szybko tworzyć graficzny interfejs użytkownika (GUI). Polecenia API są także zalecanym sposobem komunikowania się z urządzeniami, np. z drukarką. Od ang. Application Programming Interface - interfejs programowania aplikacji. Wielozadaniowość - cecha systemu operacyjnego, która pozwala uruchomić i wykorzystywać więcej niż jedną aplikację w tym samym czasie. Można więc jednocześnie np. kopiować pliki, drukować na drukarce i dokonywać obliczeń w arkuszu kalkulacyjnym. Wielozadaniowość z wywłaszczaniem - W trybie wielozadaniowości z wywłaszczaniem system decyduje, jak długo aplikacja korzysta z procesora i gdy ten czas upływa, przekazuje kontrolę nad nim kolejnej aplikacji (poprzednia zostaje wywłaszczona). W ten sposób zawieszony program nie może zawiesić całego systemu. Z wielozadaniowości z wywłaszczaniem korzystają systemy: OS/2, Windows 9x, Windows NT, Linux, UNIX.

8.2. Słowniczek Rejestr Windows - Baza danych w Windows 9x i Windows NT. Są w niej przechowywane wszystkie informacje niezbędne systemowi operacyjnemu do poprawnej pracy dotyczące m.in. użytkowników, urządzeń podłączonych do komputera i ich konfiguracji, a także zainstalowanych programów. Uszkodzenia Rejestru prowadzą zwykle do niemożności korzystania z programów, a często nawet do konieczności reinstalacji systemu operacyjnego. Rejestr w systemach Windows 9x jest przechowywany w plikach o nazwie USER.DAT i SYSTEM.DAT. Sterownik - program kontrolujący pracę przyłączonego do komputera urządzenia. Nowoczesne systemy operacyjne, zawierają wiele wbudowanych sterowników do popularnych (do a do tych niepopularnych) typów urządzeń, dzięki czemu łatwiejsze jest rozpoznanie urządzenia i tym samym zainstalowanie go. Jeśli system operacyjny nie zawiera wbudowanego sterownia możliwe jest doinstalowanie go. Jądro systemu (kernel) - Najważniejszy komponent każdego systemu operacyjnego, wykonuje podstawowe operacje takie jak uruchamianie programów, przyznawanie zasobów aplikacjom (odpowiada m.in. za wielozadaniowość), obsługa urządzeń oraz daty i czasu. Kernel jest ładowany do pamięci komputera jako jeden z pierwszych komponentów. Stabilność systemu operacyjnego – Cecha systemu operacyjnego charakteryzująca poprawną pracę systemu wraz ze wzrastającą ilością przetwarzanych zadań oraz upływem czasu od uruchomienia systemu.

8.3. Słowniczek System plików - Sposób, w jaki komputer organizuje pliki i katalogi na nośniku danych. System plików określa to, jak informacje są zapisywane i odczytywane. System plików definiuje także wielkość klastrów, możliwe do użycia atrybuty plików oraz schemat poprawnych nazw plików i katalogów - ich długość i dopuszczalne znaki w nazwach. Najpopularniejsze systemy plików to FAT16 (stosowany w MS-DOS, Windows 9x i Windows NT), FAT32 (Windows 95 OSR2 i Windows 98) oraz NTFS (Windows NT). Jedynym wspólnym systemem plików wszystkich wersji Windows i MS-DOS jest FAT16. Inne popularne systemy plików to: HPFS, CDFS i VFAT. Stronicowanie pamięci (angielskie paging),- jest to sposób zarządzania pamięcią, w którym obszar wykonywanego procesu nie musi być ciągły, dzięki czemu można unikać kosztownych reorganizacji procesów w pamięci. Poszczególne logiczne strony procesu są pomieszczone w ramkach pamięci sprzętowej, przy czym związek między stronami a ramkami jest utrzymywany za pomocą sprzętowej tablicy stron. Stronicowanie usuwa fragmentację zewnętrzną, wprowadza jednak fragmentację wewnętrzną. Stronicowanie odbywa się przy udziale sprzętu komputera. Bitowość systemu (ilu bitowy może być system?) - Dość powszechne jest określanie systemów jako 16-bitowe (DOS, Windows), 32-bitowe (Linux, Windows NT) czy też ostatnio 64-bitowe (Windows XP). Długość rejestrów procesora, dla którego projektowany jest system, wyznacza podstawowy format wewnętrznych zmiennych, znaczników i tablic systemowych, długość ta wyznaczana jest bitach. Ze względu na szybkość działania systemu najchętniej stosowane są zmienne o długości odpowiadającej długości rejestrów procesora, co pociąga za sobą pewne konsekwencje. Na przykład, konsekwencją stosowania 16-bitowych zmiennych systemowych były ograniczenia wielkości partycji dyskowych, a w późniejszym okresie – również pojemności całych dysków. Także sposób zarządzania innymi zasobami, przede wszystkim pamięcią RAM, zależy od długości słowa procesora.

9. Pytania Przykładowe pytania egzaminacyjne: Opisz zadania systemu operacyjnego. Wyjaśnij pojęcie warstw systemu operacyjnego.