1. (o operacijskih sistemih)

2. Komponente računalniškega sistema
1. Strojna oprema – (hardware) zagotavlja osnovne vire (CPE, pomnilnik, V/I naprave).
2. Operacijski sistem – nadzoruje in koordinira uporabo strojne opreme med aplikacijami, ki tečejo na sistemu
3. Aplikacije – določajo načine uporabe sistemskih virov za reševanje uporabnikovih problemov (prevajalniki, podatkovne baze, igre, poslovni programi...)
4. Uporabniki (ljudje, stroji, drugi računalniki).

3. Naraščanje pomena programske opreme
Premiki v ceni tehnologije
Padanje cen aparaturne opreme
Naraščanje kompleksnosti programske opreme in rast njene cene
Rast cene programerskega dela
Programski pripomočki za “reverzni inženiring” organizacij
Programska oprema pomaga pri standardizaciji poslovnih postopkov

4. Ključne programske komponente informacijskih sistemov
Programska oprema (software)
Množica programov, ki nadzirajo delovanjeaparaturne opreme računalnika
Program
Množica kodiranih ukazov, ki jih bere in izvaja računalnik
Dokumentacija
Množica navodil, ki pomagajo uporabniku pri uporabi računalniških programov

5. Klasifikacija programske opreme

6. Uporabniški programi Omogočajo uporabniku izvedbo določene naloge
Pisanje nekega dokumenta
Izvedbo določenih računov
Uporabo elektronske pošte
....
Interaktirajo s sistemsko programsko opremo
Dva osnovna tipa
Prilagojeni uporabniku (customized)
Neprilagojeni, “vzeti s police” (Off-the-shelf)

7. Sistemski programi
Zbirka programov za krmiljenje osnovnih operacij računalniške aparaturne opreme
Cilj – naj bo delovanje računalnika za uporabnike transparentno
Temu včasih pravijo tudi “operacijski sistem”
Uporabniški
programi
Operacijski
sistem
Uporabnik
Aparaturna oprema

8. Sistemski programi
Sistemski programi nudijo okolje, primerno za razvoj in izvajanje programov. Delimo jih lahko na programe za:
Rokovanje z datotekami
Informiranje o statusu
Spreminjanje datotek
Podporo programskim jezikom
Nalaganje in izvajanje programov
Komunikacije
Druge uslužnostne programe
Pogled uporabnikov na operacijski sistem je večinoma opredeljen s sistemskimi programi in ne s sistemskimi klici.

9. Funkcije sistemske program. opreme
Izvedba sistemskih operacij
Zagon računalnika
Branje programov v pomnilnik
Upravljanje dodeljevanja pomnilnika programom
Vzdrževanje strukture direktorijev
Krmiljenje perifernih naprav
Nudenje uporabniškega vmesnika
Vmesnik, temelječ na ukazih
Grafični vmesnik (Graphical User Interface: GUI)

10. Kaj je torej operacijski sistem?
Programje, ki deluje kot posrednik med uporabnikom računalnika in računalniško aparaturno opremo.
Cilji operacijskega sistema:
Izvajanje uporabniških programov in lažje reševanje problemov uporabnika.
Narediti računalniški sistem sploh uporabljiv.
Učinkovita uporaba računalniškega sistema.
učinkovito upravljanje in dodeljevanje procesorskega časa, pomnilnika in drugih virov

11. Pogledi na operacijski sistem
Pogled uporabnika
OS nudi abstrakcijo virov računalnika, tako da je reševanje problemov lažje
Sistemski pogled
OS deluje kot alokator in upravnik virov, upravnik procesov in nadzornik sistema

12. Še nekaj definicij operacijskega sistema
Resource allocator – upravlja in alocira vire (CPE, pomnilnik, disk, mrežne povezave...).
Control program – nadzoruje izvajanje uporabniških programov in operacij vhodno-izhodnih naprav .
Kernel – Program, ki teče ves čas (kar v splošnem ne velja za uporabniške programe).

13. Kaj dela operacijski sistem?
Zagon aplikacij
Zahtevo za zagon neke aplikacije (na primer urejevalnika Word) pošljemo operacijskemu sistemu
OS poišče program na disku, ga naloži v pomnilnik in ga požene

14. Kaj dela operacijski sistem?
OS nudi aplikaciji različne servise;
npr. med potekom uporabniškega programa mu operacijski sistem (OS) po potrebi bere ali zapisuje podatke na disku
OS, aplikacije in podatki tekmujejo za pomnilnik

15. Še nekaj pojmov pri OS Režimi izvajanja (Running Modes)
Uporabniški režim (User Mode)
Omejena uporaba aparaturne opreme in omejen nabor strojnih ukazov
V tem režimu tečejo uporabniški programi
Sistemski režim (Kernel Mode, Trusted mode)
Neomejen dostop do aparaturne opreme
Možna uporaba vseh strojnih ukazov
V tem režimu v splošnem teče operacijski sistem

16. Kako se stvar začne (zagon OS)?
Bootstrap: program v pomnilniku ROM (read only memory)
Požene ga CPE ob vklopu računalnika
Prepiše operacijski sistem z diska v pomnilnik
Nato preskoči na operacijski sistem
A CPU’s program counter starts with a particular pre-determined address each time the CPU is turned on.
At this address or location the CPU expects to find the first instruction to be executed
we make this address’ contents permanent to ensure that the desired program is present
The small program that is stored in read only memory (ROM) is called the bootstrap
directs the loading of the operating system
boot strapping/booting: a procedure that is performed by the machine each time it is turned on.

17. Zagon operacijskega sistema
Korak 2: Zagonski program prepiše operacijski sistem v primarni pomnilnik in preda nadzor njemu.
Korak 1: Ob vklopu računalnika se požene zagonski program (bootstrap program), ki je že v pomnilniku. Operacijski sistem pa se nahaja na disku.

18. Komponente operacijskega sistema
Lupina (shell): del, ki komunicira z uporabniki
Grafični uporabniški vmesnik (GUI)
Window manager
Jedro (kernel): vsebuje komponente za opravljanje osnovnih funkcij
Upravljanje z datotekami (File manager)
Upravljanje s pomnilnikom (Memory manager)
Razvrščanje nalog (Scheduler and dispatcher)
Gonilniki naprav (Device drivers)
Operating System Components
shell: the interface between the operating system and its users.
Modern shells use a graphical user interface (GUI) in which objects are represented as icons on the screen. (show next screen and move back to this one)
Window manager: a component of a GUI shell which allocates blocks of space on the screen (windows) and keeps track of which application is associated with each window.
Kernel: internal part of an operating system that contains the software components that perform the very basic functions required by the computer installation

19. Lupina (shell) kot vmesnik med uporabniki in operacijskim sistemom

20. Enoprocesorski operacijski sistemi
Separating applications from operating system code through a microkernel.
1.11

21. Upravljanje datotek (File Manager)
Datotečni sistem: način shranjevanja in organizacije datotek na pomnilniškem mediju (disk, CD-ROM...)
Direktorij ali mapa (Directory, folder): Skupina datotek, ki jo običajno ustvari uporabnik
Pot (Path): Položaj datoteke v hierarhiji direktorijev
Opisnik datoteke (File descriptor): Informacija, potrebna za dostop do odprte datoteke
File manager: component of the kernel that coordinates the use of the machine’s mass storage facilities
files are grouped into a bundle called a directory or folder.
The chain of directories within directories is called a path.
File descriptor: an area of main memory that contains information about how to find and manipulate a file.
device driver: component of the kernel that communicates with a controller to carry out operations on one of the machine’s peripheral devices.
Device drivers translate general requests into the more technical steps required by the device assigned to that driver
design of other software units can be independent of the unique details of particular devices.
A generic operating system can be customized for particular peripheral devices by merely installing the appropriate device drivers.

22. Upravljanje s pomnilnikom (Memory manager)
Parkinsonov zakon: “Programi se širijo, da zapolnijo ves pomnilnik, ki jim je na voljo”
posledično programerji želijo neskončno velik in neskončno hiter pomnilnik
Navidezni pomnilnik (Virtual memory): navidezni pomnilniški prostor
tvorimo ga s premetavanjem strani med resničnim pomnilnikom in prostorom na disku
stran (Page): enota uporavljanega pomnilnika (nekaj kilobytov)
procesi vidijo samo svoj prostor (zaščita)
memory manager: component of the kernel that coordinates the machine’s use of main memory.
Complicated in a multi-user or multitasking environment.
When the total main memory space required is greater than the space actually available:
memory manager may create the illusion of additional memory space by rotating programs and data back and forth between main memory and mass storage
this is called virtual memory
scheduler: component of the kernel that determines which activities are to be considered for execution.
dispatcher: component of the kernel that controls the allocation of time slices to these activities.

23. Procesi Program = statična skupina ukazov
Proces = aktivnost (“življenje”) programa, ki teče, skupaj s podatki (spremenljivkami) in stanjem
slika programske kode (na disku)
pomnilnik, ki vsebuje programsko kodo in podatke
viri, ki jih je dodelil OS (ročice na datoteke – file handles)
varnostni atributi (lastnik, dovoljenja)
stanje procesa
Stanje procesa (context) = trenutno stanje aktivnosti
Posnetek pomembnih delov stanja računalnika
Programski števec, ostali registri, dodeljeni pomnilnik
Program: a static set of directions.
Process: a dynamic activity whose properties change as time progresses.
Process State: the current status (snapshot) of the activity, including:
the value of the program counter
values in the other CPU registers
values in the associated memory cells
Interprocess communication: the communication between processes that is handled by the scheduler and the dispatcher within the operating system’s kernel.

24. Upravljanje s procesi
Multitasking: navidezno izvajanje več procesov hkrati
Razvrščevalnik (Scheduler)
Stanje vseh procesov hrani v procesni tabeli
določa stanje izvajanja: state (trenutno izvajajoči proces, pripravljeni, blokirani procesi)
upošteva prioriteto procesov
Vodi dodatne podatke: strani v pomnilniku ipd.
Scheduler has a block of information in main memory called the process table in which it:
maintains a record of the processes present in the computer system
introduces new processes to the process table
removes processes that are complete
Each entry in the process table includes:
memory area assigned to the process
the priority of the process
whether the process is ready or waiting.
Ready: the process is in a state in which its progress can continue
Waiting: the process is in a state where its progress is currently delayed until another event occurs.

25. Upravljanje s procesi (2)
OS ima lahko 3 tipe razvrščevalnikov:
dolgoročni (admission)
kateri procesi sploh pridejo v status pripravljenosti za izvajanje; pomembni pri sistemih v realnem času
srednjeročni
kateri procesi gredo v sekundarni pomnilnik (disk) pri sistemih z navideznim pomnilnikom
kratkoročni (dispatcher)
kateri od pripravljenih procesov dobi svoj del CPE
Scheduler has a block of information in main memory called the process table in which it:
maintains a record of the processes present in the computer system
introduces new processes to the process table
removes processes that are complete
Each entry in the process table includes:
memory area assigned to the process
the priority of the process
whether the process is ready or waiting.
Ready: the process is in a state in which its progress can continue
Waiting: the process is in a state where its progress is currently delayed until another event occurs.

26. Upravljanje s procesi (3)
Kratkoročni razvrščevalnik - dispečer (Dispatcher)
Dodeli eno časovno rezino (kvantum) procesu, ki je pripravljen
Izvede preklop procesov (context switch), ko dodeljena časovna rezina poteče
iztek časovne rezine nakaže prekinitev (interrupt)
ura, V/I prekinitev, sistemski klic...
rokovalnik prekinitev (Interrupt handler): je del dispečerja
Dispatcher ensures that the scheduled processes are actually executed.
In a time-sharing system, it divides time into time slices or quantums (50 milliseconds)
The CPU’s attention is then switched from one process to another (process switch) where each process is only allocated one time slice.
Each time a process begins its time slice, the dispatcher initiates a timer circuit that will measure the next quantum.
At the end of the quantum, the timer circuit generates a signal called an interrupt.

27. Dodeljevanje časa (Time-sharing) med procesoma A in B
The CPU then completes its current machine cycle (fetch, decode, execute) and then saves its position in that process.
Then the CPU executes a program called the interrupt handler which transfers control back to the dispatcher.
The dispatcher then:
allows the scheduler to update the process table (in case any high priority jobs are in the queue)
selects the highest priority process from the process table
restarts the timer circuit
allows the selected process to begin its time slice.

28. Stanje izvajanja (state) procesa
kreiran
končan
v stanju izvajanja
čakajoč (pripravljen)
blokiran (npr. čaka na zaseden vir)
čakajoč (na disku navideznega pomnilnika)
blokiran (na disku navideznega pomnilnika)

29. Kako rešujemo tekmovanje za vire?
Določene vire lahko zaseda le en proces hkrati – procesi tekmujejo za vire
če je vir zaseden, morajo ostali procesi čakati, da se vir sprosti (so blokirani)
Semafor = kontrolna zastavica, ki pove, da je nek vir zaseden
Z ustrezno funkcijo moramo sočasno izvesti operaciji test in set
Kritična sekcija = zaporedje ukazov, ki jih naenkrat lahko izvaja le en proces
Običajno ščitena s semaforjem
Medsebojno izobčenje (Mutual exclusion) = zahteva za pravilno implementacijo kritične sekcije
The operating system’s kernel is tasked with allocating the machine’s resources to the processes in the system.
File manager allocates access to current files and disk space for the construction of new files
Memory manager allocates memory space
Scheduler allocates space in the process table
Dispatcher allocates time slices
In order to make sure the system is reliable, we must develop algorithms that cover every possible issue that might arise within a machine.
Semaphore: a properly implemented flag which guards a mutual exclusion of a critical region.
critical region: a sequence of instructions that can be executed by only one process at a time.
mutual exclusion: the requirement that only one process at a time be allowed to execute a critical region.
To enter a critical region, a process must
find the semaphore clear
set the semaphore before entering the critical region
clear the semaphore after exiting the critical region.

30. Smrtni objem (Deadlock)
Dva procesa blokirata drug drugemu nadaljevanje
Pogoji, ki vodijo v smrtni objem
1. Tekmovanje za vire, ki niso deljivi
2. Vsak proces potrebuje najmanj dva vira
3. Alociranega vira ne moremo sprostiti
Deadlock: the condition in which two or more processes are blocked from progressing because each is waiting for access to resources allocated to each other.
Occurs when all of these conditions are met:
There is competition for non-sharable resources
The resources are requested on a partial basis having received some resources, a process will return later to request more.
Once a resource has been allocated, it cannot be forcibly retrieved.
Smrtni objem dveh vlakov, ki tekmujeta za dve nedeljivi križišči proge

31. Smrtni objem (primer) viri so nedeljivi (jih lahko zaseže le en proces)
zaseži vir 1
...
zaseži vir 2
sprosti vir 2
sprosti vir 1
Proces 2:
zaseži vir 2
...
zaseži vir 1
sprosti vir 1
sprosti vir 2
Deadlock: the condition in which two or more processes are blocked from progressing because each is waiting for access to resources allocated to each other.
Occurs when all of these conditions are met:
There is competition for non-sharable resources
The resources are requested on a partial basis having received some resources, a process will return later to request more.
Once a resource has been allocated, it cannot be forcibly retrieved.

32. Smrtni objem (kako se izogniti)
izogibanje: vnaprej vemo kakšne vire zahteva proces
bankirjev algoritem (Dijkstra) za ugotavljanje varnih stanj in izdajo dovoljenj za zaseganje virov
preprečevanje:
izogibanje ekskluzivnemu zaseganju virov in uporaba alternativ – spooling, “backoff” algoritmi...
zahteva po vseh resursih pred začetkom izvajanja
izogibanje krožnemu čakanju na vire (npr. z upoštevanjem prioritete virov)
odkrivanje:
ponoven zagon (“restart”) procesov
Deadlock: the condition in which two or more processes are blocked from progressing because each is waiting for access to resources allocated to each other.
Occurs when all of these conditions are met:
There is competition for non-sharable resources
The resources are requested on a partial basis having received some resources, a process will return later to request more.
Once a resource has been allocated, it cannot be forcibly retrieved.

33. “Spooling” (namotavanje?)
Zahtevano operacijo prestavimo na nek kasnejši čas
Tako izgledajo nedeljivi viri kot deljivi (shareable)
Tehnika izogibanja smrtnemu objemu
In printing, deadlocks can be avoided by the technique called spooling:
instead of connecting a process to a printer’s device driver, the OS connects it to a device driver that stores the information to be printed on a disk rather than sending it to the printer.
Competing processes get treated the same way.
data to be printed is stored until the printer is free
spooling holds data for output at a later but more convenient time

34. Procesi in varnost
Operacijski sistem preprečuje nelegalen dostop do virov
Različen pomnilnik za različne procese
Privilegirani ukazi možni le v jedru
Vsi dostopi do datotek so možni le preko jedra
Dostop do drugih naprav le preko jedra

35. Vrste operacijskih sistemov
Preprosti paketni sistemi (Batch Systems)
Multiprogramski paketni sistemi
Sistemi z dodeljevanjem časa (Time-Sharing Systems)
Sistemi osebnih računalnikov
Paralelni sistemi
Porazdeljeni sistemi
Sistemi za delo v realnem času (Real -Time Systems)

36. Računalniki 1. generacije:
elektronke za vezja
magnetne bobne za podatke (pomnilnik)
papirne kartice, tiskani izpisi za I/O
en program naenkrat
brez pravega OS in višjenivojskih prog. jezikov
program pri npr. ENIACu določen s pretikanjem kablov in stikal, pozneje tudi s shranjenimim funkcijami v ROM
programi v binarni strojni kodi
podatki na karticah

37. ENIAC Electronic Numerical Integrator and Computer

38. Računalniki 2. generacije (1955-1965)
Tranzistorji
Programski jeziki
Prvi OSi za paketno obdelavo

39. Preprosti paketni sistemi
Uporabniški
podatki
Uporabniški
program
Trak
Sistemska progr.
oprema
Trak
Operacijski sistem
Računanje
Čitalnik
kartic
Tiskalnik
Trak
Trak
Izhod
Vhod

40. Računalniki 2. generacije (1955-1965)
IBM 7094
IBM 1401

41. Računalniki 2. generacije (1955-1965)
Programer pripravi paket luknjanih kartic
Več paketov luknjanih kartic prenesemo na trak
Trak poženemo na računalniku “mainframe”
Izpis rezultatov, ko se vsi posli (job) zaključijo

42. Preprosti paketni sistemi
Nadzoruje jih operater (administrator)
Uporabnik  operater
Rokovanje s perifernimi napravami
Krajšanje časa nameščanja (setup time) s primernim grupiranjem podobnih poslov v pakete
Avtomatsko razporejanje poslov (job sequencing) – avtomatsko prenese nadzor iz enega posla (job) na drugega. To so bili prvi preprosti operacijski sistemi.
Residenčni monitor
V začetku ima nadzor monitor
Nadzor se prenese na posel
Ko se posel zaključi, se nadzor spet prenese na monitor

43. Multiprogramski paketni sistemi
V primarnem pomnilniku je sočasno več poslov in uporaba CPE je med njimi multipleksirana.

44. Multiprogramski paketni sistemi
Sistemska programska oprema nudi storitve računalniškega sistema glede na zahtevke s strani uporabniških programov
Do spremembe konteksta (programa) pride, ko določen paket čaka na zunanji dogodek (npr. V/I napravo)

45. Sistemi z dodeljevanjem časa (Time sharing)
Podobno multiprogramskim sistemom, multipleksiranje pa je tako hitro, da navidezno programi tečejo sočasno. Zato lahko poteka uporaba računalnika interaktivno.
CPU je multipleksirana med več posli, ki so sočasno v pomnilniku oziroma na disku (CPE je dodeljena poslu le, če se ta nahaja v pomnilniku).
Posel (job) je premeščan (swapped) v pomnilnik ali iz njega na disk.
Na voljo je on-line komunikacija med uporabnikom in sistemom; Ko operacijski sistem konča izvajanje enega ukaza, poišče naslednji “ukaz”, ki ga uporabnik vtipka preko tipkovnice.
Uporabniki imajo dostop do podatkov in programov s pomočjo sprotnega sistema (on-line system).

46. Sistemi za delo v realnem času
Jih pogosto uporabljamo za krmiljenje naprav v posvečenim aplikacijam, kot so na primer krmiljenje znanstvenih poskusov, medicinsko oslikovalni sistemi, industrijski nadzorni sistemi ipd.
Dobro določene, trdne časovne omejitve.
Hard real-time system.
Sekundarni pomnilnik je manjši, lahko ga celo ni. Podatki so v hitrem pomnilniku ali ROM (read-only memory)
Prekoračitev časa ima lahko usodne posledice za delovanje naprave (roboti, industrijske naprave,..)
Splošno namenski operacijski sistemi za to niso primerni.
Soft real-time system
Prekoračitev časa je moteča, ni pa usodna
Uporabno v aplikacijah, kot so navidezna resničnost, multimedijske aplikacije ipd. Zahteva napredne značilnosti operacijskega sistema.

47. Paralelni sistemi Simetrično multiprocesiranje (SMP)
Več enakovrednih procesorjev dostopa do skupnega pomnilnika
1 OS, ki enakovredno distribuira procese procesorjem
Podpira ga večina modernih OS (Windows, Linux...)
MPP – Masivno paralelno procesiranje
Vsaka CPE vsebuje svojo kopijo OS in aplikacije, povezane so s hitrim vodilom.
Problemi, ki jih rešujejo, morajo biti primerni (možno razbitje na kose...)

48. Porazdeljeni sistemi
Računanje je porazdeljeno med več procesorjev oz. računalnikov
Mehko sklopljeni sistemi – vsak procesor ima lasten lokalni pomnilnik. Procesorji komunicirajo med seboj preko komunikacijskih linij.
Prednosti porazdeljenih sistemov.
Souporaba virov
Hitrost računanja – sodelavna razdelitev premena
Skalabilnost
Zanesljivost
Komunikacije

49. Navidezni stroji
Navidezni stroj (virtual machine) je pripeljal koncept slojne arhitekture do njenega logičnega zaključka. Aparaturno opremo in jedro operacijskega sistema obravnava, kot da je vse skupaj aparaturna oprema.
Navidezni stroj nudi vmesnik, identičen aparaturni opremi pod njim.
Tvorimo iluzijo več procesov, od katerih vsak simulira svoj lastni procesor s svojim lastnim (navideznim) pomnilnikom.

50. Navidezni stroji
S souporabo virov fizičnega računalnika tvorimo navidezne računalnike.
Razvrščanje CPE daje uporabnikom vtis, kot da ima vsak svoj procesor.
“Spooling” in datotečni sistem lahko nudita navidezne (virtualne) periferne naprave.
Kot konzolo operaterja uporabljamo obstoječi uporabniški terminal (tipkovnico, zaslon, miško)

51. Modeli sistema
Non-virtual Machine
Virtual Machine

52. Prednosti in slabosti navideznih strojev
Koncept navideznega stroja nudi popolno zaščito sistemskih virov, saj je vsak navidezni stroj izoliran od drugih navideznih strojev. Taka izolacija pa ne dovoljuje direktne souporabe virov.
Sistem z navideznim strojem je odličen za učenje, razvoj in raziskave. Sistemski razvoj izvajamo na navideznih računalnikih namesto na fizičnem in tako ne motimo normalno delovanje računalnika.
Implementacija navideznega stroja je težavna, saj moramo nuditi točno kopijo stroja na spodnji plasti.

53. Koncept Jave – navidezni stroj

54. Platforma Jave

55. Operacijski sistemi bodočnosti
Upravljanje s podatki
Shranjevanje podatkov lokalno in na oddaljenih strežnikih
Datoteke – zastarel koncept – dokumenti/mediji
Zavedanje o podatkih – metapodatki in indeksiranje (WinFS)
Integracija medijev: TV, (video)telefon, Hi-Fi ...
Dostopnost
Kjerkoli, z različnih naprav ne le računalnikov v klasičnem pomenu
Identifikacija in vhodne naprave
Vnos ukazov z glasom, zasloni, občutljivi na dotik, nadzor z daljinskim upravljanjem (remote controls), mobilnimi telefoni ...
Fizična identifikacija uporabnika ob vstopu
na primer s prstnimi odtisi, skeniranjem zenice ...