Systemy operacyjne

obowiązkowe

Celem zajęć jest przedstawienie budowy i zasady działania współczesnych komputerów, 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.

*** Wykład:

* Architektura komputera:

+ architektura a organizacja komputera;

+ model von Neumanna (SISD - single instruction single data);

+ architektury Harward i Princeton;

+ zrównoleglanie: architektura superskalarna, architektura wektorowa (SIMD-single instruction multiple data), architektura z bardzo długim słowem instrukcji (VLIW -very long instruction word), architektura z jawnie równoczesnymi instrukcjami (EPIC-explicit parallel instruction computing);

+ zrównoleglanie a dostęp do pamięci, architektury wieloprocesorowe i wielordzeniowe (MIMD-multiple instruction multiple data): SMP, NUMA, COMA.

* Mikroprocesor od wewnątrz:

+ rejestry, lista instrukcji, tryby adresowania argumentów;

+ CISC a RISC;

+ interfejs binarny aplikacji (ABI) na przykładzie 64-bitowego ABI wykorzystywanego w Linuksie na architekturach Intel64 i AMD64 oraz ARM EABI;

+ cykl rozkazowy, cykl procesora, cykl zegara;

+ przetwarzanie potokowe.

* Mikroprocesor w interakcji ze światem zewnętrznym:

+ system przerwań, wyjątki;

+ sprzętowe wsparcie dla systemów operacyjnych;

+ poziomy ochrony, wywoływanie usług systemowych, segmentacja i stronicowanie;

+ obsługa wejścia - wyjścia;

+ DMA.

* Hierarchia pamięci:

+ pamięci nieulotne: ROM, EEPROM, Flash;

+ pamięci ulotne o dostępie swobodnym (RAM): statyczne (SRAM), dynamiczne asynchroniczne (DRAM), dynamiczne synchroniczne (SDRAM, DDR - RAM);

+ pamięci podręczne;

+ pamięci masowe: dyski magn etyczne, dyski optyczne, dyski magnetyczno-optyczne;

+ macierze dyskowe.

* Wprowadzenie do systemów operacyjnych: zadania systemu operacyjnego, budowa systemu operacyjnego, funkcje systemowe.

* Struktura procesów: pojęcie procesu, tryby pracy, stany procesów i przejścia między nimi, zmiana kontekstu, synchronizacja na poziomie jądra.

* Szeregowanie procesów.

* Zarządzanie pamięcią: przestrzeń adresowa procesu, adresowanie, strategie przydziału pamięci, pamięć wirtualna.Systemy plików: koncepcja pliku, realizacja systemu plików warstwy logicznej i fizycznej, przykłady konkretnych implementacji.

* Podsystem wejścia - wyjścia: urządzenia blokowe i znakowe, tablice rozdzielcze, pliki specjalne, struktura dysku i szeregowanie żądań.

* Wirtualizacja

*** Laboratorium:

Zadanie zaliczeniowe polegające na napisaniu programu, który składałby się z modułu napisanego w języku C i modułu napisanego w asemblerze.

Zadanie ma ilustrować, jak napisać w asemblerze funkcję, którą można wywołać z języka C, jak z poziomu asemblera wywoływać funkcje napisane w języku C, jak z poziomu asemblera wywoływać funkcje systemowe (ilustracja ABI, które powinno być omówione na wykładzie). Procedury asemblerowe powinny wykonywać jakieś zaawansowane obliczenia i korzystać intensywnie z pamięci, dzięki czemu pomiary czasu ich wykonywania dla różnych wartości parametrów powinny ujawnić istnienie hierarchii pamięci.

* Podstawy administracji: instalowanie i konfigurowanie systemu, instalowanie oprogramowania, dzienniki systemowe, proces uruchamiania systemu, mechanizmy kontroli dostępu, powłoka i skrypty powłoki, platformy wirtualne.

* Zarządzanie procesami: kontrolowanie procesów, sygnały, przegląd mechanizmów synchronizacji i komunikacji międzyprocesowej.

* Funkcje systemowe: mechanizm wywoływania funkcji systemowych, dodawanie nowych funkcji do systemu operacyjnego.

* Szeregowanie procesów: analiza i zmiana algorytmu szeregowania procesów.

* Zarządzanie pamięcią.

* Podsystem wejścia-wyjścia: tworzenie po dprogramów obsługi urządzeń.

* Systemy plików.

* Bezpieczeństwo systemu operacyjnego

* Interpreter poleceń

* Tworzenie pakietów z oprogramowaniem

A. Silberschatz, P. Galvin, G. Gagne, Podstawy systemów operacyjnych

D.P. Bovet, M. Ceasti, Linux Kernel

R. Love, Linux Kernel Development

W. Richard Stevens, Programowanie w środowisku systemu UNIX

A. S. Tanenbaum, A. S. Woodhull, Operating Systems Design and Implementation, 3rd Edition

W. Stallings, Organizacja i architektura systemu komputerowego

D. A. Patterson, J. L. Hennessy, Computer Organization and Design, 5th Edition:

The Hardware/Software Interface

D. A. Patterson, J. L. Hennessy, Computer Organization and Design , 5th Edition: A Quantitative Approach

Wiedza:

- ma uporządkowaną, podbudowaną teoretycznie wiedzę ogólną w zakresie programowania, algorytmów i złożoności, architektury systemów komputerowych, systemów operacyjnych, technologii sieciowych, języków i paradygmatów programowania, baz danych, inżynierii oprogramowania (K_W02);

- w stopniu zaawansowanym podstawową wiedzę na temat architektury współczesnych systemów (logika układów cyfrowych i reprezentacja danych, architektura procesora, wejście-wyjście, pamięć, architektury wieloprocesorowe) (K_W06);

- zna zasady działania systemów operacyjnych ze szczególnym uwzględnieniem procesów, współbieżności, szeregowania zadań i zarządzania pamięcią (K_W07).

Umiejętności:

- potrafi pisać, uruchamiać i testować programy w wybranym środowisku programistycznym (K_U05);

- rozumie niskopoziomowe zasady wykonywania programów;

- potrafi skonfigurować wybrany system operacyjny oraz nim administrować, w tym instalować potrzebne oprogramowanie;

- potrafi wyjaśnić na czym polega zarządzanie pamięcią w systemach operacyjnych, co to jest hierarchia pamięci, co to jest pamięć wirtualna (K_U11);

- potrafi ocenić, na podstawowym poziomie, przydatność rutynowych metod i narzędzi informatycznych oraz wybrać i zastosować właściwą metodę i narzędzia do typowych zadań informatycznych (K_U18).

Zaliczenie laboratorium polega na rozwiązaniu pięciu małych zadań programistycznych, obejmujących kolejne porcje przerabianego materiału. Każde zadanie oceniane jest w skali od 0 do 5 punktów. Aby uzyskać zaliczenie, należy zebrać minimum 12,5 punktu. Zaliczenie laboratorium w sesji poprawkowej polega na rozwiązaniu dodatkowego zadania programistycznego, ocenianego w skali od 0 do 10 punktów. Ocena za to zadanie zastępuje dwa najgorzej ocenione małe zadania, a do uzyskania zaliczenia trzeba, jak w pierwszym terminie, uzyskać w sumie minimum 12,5 punktu. Egzamin pisemny składa się z części testowej i części z zadaniami. Jest oceniany w skali od 0 do 25 punktów. Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie laboratorium. Ocena końcowa jest wystawiana na podstawie sumy punktów uzyskanych z zadań laboratoryjnych i egzaminu.