1
Sisteme de operare. Mecanisme interne i principii de
proiectare
1.IntroducereCursul trateaz conceptele i principiile
fundamentale ale teoriei i practicii sistemelor de operare (SO).
Sunt prezentate definiiile principale i unele clasificri,
interfeele sistemelor de operare, modul de organizare a procesului
de calcul, gestionarea memoriei i a dispozitivelor periferice,
administrarea informaiei i gestiunea fiierelor. Lucrarea acoper
aspectele asociate bazelor contemporane ale metodelor i mijloacelor
de elaborare a resurselor program de sistem (inclusiv, operaii
asincrone, tratarea ntreruperilor, compromisele dintre
dispozitivele tehnice i resursele program, interfeele sistemelor de
operare), avnd drept obiectiv final pregtirea cititorului pentru
analiza i proiectarea sistemelor de operare. Cursul include
capitole teoretice i materiale ilustrative practice, chemate s
familiarizeze cititorul nu att cu modalitatea utilizrii unor
sisteme de operare concrete, ci n special cu metodele i algoritmii,
care stau la baza mecanismelor interne ale sistemelor de operare i
modul n care acestea sunt concepute, proiectate i implementate.
Un sistem de calcul const din dou tipuri de resurse: resursele
fizice i resursele logice. Resursele fizice posed caracteristici
tehnice avansate i pot fi utilizate n cele mai diverse scopuri. ns
aceste resurse fr componentele logice de sistem (software de
sistem) ntmpin dificulti mari n relaia cu mediul n care trebuie s
funcioneze. Acesta este unul dintre motivele principale ale crerii
sistemelor de operare, destinaia crora este administrarea
(gestiunea, controlul) resurselor tehnice principale i asigurarea
unei interfee comode (plcute, prieteneti) ntre utilizator i
calculator (fig.1.1, [1]).
Fig.1.1. Locul sistemului de operare n cadrul unui sistem de
calculExist mai multe motivaii ale necesitii studierii sistemelor
de operare, cele mai importante fiind urmtoarele:
pentru utilizarea resurselor hardware n scopuri speciale poate
fi necesar s fie creeat un sistem de operare propriu sau s se
introduc modificri ntr-unul existent;
de alegerea corect a sistemului de operare i a versiunii
concrete poate depinde viabilitatea i eficacitatea sistemului de
calcul;
este ideal ca utilizatorul s interacioneze cu sistemul de
operare cunoscnd toate subtilitile ultimului, deoarece sistemul de
operare este un intermediar ntre calculator i utilizator;
multe metode i concepte, utilizate n domeniul SO, pot fi
implementate cu succes i n alte domenii.
Prin noiunea sistem de operare nelegem n primul rnd modulele
program ale unui sistem de calcul, care administreaz resursele
tehnice (procesoare, memoria operativ i secundar, dispozitive de
intrare/ieire, fiiere). Modulele n cauz soluioneaz situaiile de
conflict, optimizeaz productivitatea sistemului, sporesc eficiena
utilizrii lui. Ele sunt un fel de intermediar (interfa) ntre
programele utilizatorului i componentele tehnice ale
calculatorului. Alte denumiri istorice: program de administrare,
monitor, supervizor.
Modulele destinate unor domenii anume, cum ar fi translatoarele,
depanoarele, bibliotecile, mediile integrate de dezvoltare etc., nu
sunt incluse n definiia unui SO, fiind considerate i ele
utilizatori ai sistemului de operare.
1.1. Noiuni de baz i clasificri
Un calculator const dintr-un ansamblu de componente funcionale
fizice i logice, care coopereaz pentru a satisface cerinele
utilizatorilor privind introducerea, stocarea, prelucrarea,
transmisia i cutarea informaiilor. Aceste componente funcionale
sunt structurate pe niveluri, care interacioneaz prin interfee bine
definite. Suportul fizic (resurse tehnice, hardware) constituie
nivelul inferior al sistemului de calcul construit pe baza unor
componente electronice, magnetice, optice, mecanice etc., mai mult
sau mai puin sofisticate n funcie de stadiul de dezvoltare a
tehnologiilor respective.
1.1.1. Noiuni i termeni din domeniul resurselor tehnice
Pentru a trece la noiunile principale, legate de hardware, vom
face cunotin mai nti cu funciile de baz ale unui calculator. Pot fi
evideniate cinci funcii eseniale [2]: iniializarea (bootup),
introducerea datelor, procesarea datelor, stocarea datelor i
extragerea rezultatelor:
Iniializarea implic testarea prilor importante ale
calculatorului, rularea fiierelor de pornire i ncrcarea altor
fiiere necesare, cum ar fi driverele de dispozitive;
Introducerea reprezint transferul datelor dintr-o surs extern n
calculator. Surse externe pot fi dischetele, tastatura, mouse-ul
etc.;
Procesarea se refer la manipularea datelor introduse n scopul
producerii unui rezultat (ieirea);
Stocarea constituie procesul salvrii informaiilor (date sau
programe) ntr-un dispozitiv de pstrare, de exemplu discul fix,
pentru recuperarea ulterioar.
Prin structura unui calculator vom nelege componentele
(dispozitivele) care formeaz calculatorul i legturile dintre ele.
Componentele principale sunt: procesorul, memoria, inclusiv unitile
de stocare pe termen lung, dispozitivele de intrare-ieire
(tastatura, display-ul, mouse-ul etc.). Relaiile (legturile) dintre
aceste componente pot fi foarte variate, o structur devenit apoi
clasic, este structura John von Neumann (fig.1.2).
Componentele principale se conecteaz la placa de baz
(motherboard) direct sau prin conectoare speciale, numite plci de
extensie (daughterboards). Unitatea central de procesare procesorul
(CPU) se gsete ntr-un singur circuit integrat (cip) incorpornd
unitatea de comand (Control Unit, CU) i unitatea logico-aritmetic
(Arithmetic Logical Unit, ALU). Unitatea de comand controleaz
funcionarea unitii logico-aritmetice. Memoria este o zon de lucru
de mare vitez, unde sunt stocate datele i programele pentru a fi
accesate de CPU n mod rapid. Memoria poate fi organizat n mod
ierarhic, caz n care exist cel puin dou nivele de ierarhie memoria
central (operativ) i memoria secundar (extern, de lung durat).
Memoria operativ este electronic sub form de cipuri, de obicei cu
acces aleator (RAM Random Access Memory) i trebuie s fie alimentat
cu tensiune pentru a pstra datele (memorie vie). Pentru salvarea
datelor atunci cnd se ntrerupe alimentarea sau pentru pstrare de
lung durat, datele sunt stocate n memoria secundar, care le reine
orict de mult timp. Dispozitivele cele mai obinuite de introducere
a datelor sunt tastatura i mouse-ul, iar dispozitivul de ieire cel
mai utilizat este monitorul. Procesorul i memoria operativ formeaz
nucleul calculatorului, toate celelalte dispozitive fiind cunoscute
sub denumirea de periferie (dispozitive periferice).
Instruciunile care vor fi ndeplinite de calculator sunt stocate
n memorie sub form de programe. Unitatea de comand ine evidena i
interpreteaz instruciunile dintr-un program, fiind responsabil cu
transmiterea de sarcini specifice diferitelor elemente ale
calculatorului. Unitatea de control controleaz n principal funciile
de intrare-ieire (I/O), de memorizare i stocare, colaboreaz cu ALU,
care rspunde de efectuarea operaiilor de calcul. Mai menionm
noiunile: mrimea magistralelor interne i externe de date, mrimea
adresei de memorie, frecvena ceasului.
Mrimea magistralei interne de date: procesoarele pstreaz datele
n locaii speciale, numite registre. Datele sunt transferate ntre
registre, CU, ALU i alte componente ale procesorului prin
intermediul unei magistrale realizate n circuitele procesorului.
Numrul de linii n aceast magistral ofer o msur a cantitii de date
pe care procesorul o poate transfera ntr-o singur operaie. Valoarea
ei poate varia ntre 8 i 32 de bii (n scopuri speciale 64, 128 sau
chiar mai mult).
Mrimea magistralei externe de date msoar cte date pot fi
transferate ntre procesor i dispozitivele periferice ntr-un tact de
ceas. Magistrala este un sistem de conectri i cablri ce distribuie
datele prin calculator. Cu ct magistrala de date e mai mare, cu att
performanele calculatorului se mbuntesc. Numrul de linii i aici
variaz ntre 8 i 32 de bii.
Mrimea adresei de memorie determin volumul de memorie care poate
fi gestionat de calculator fr eforturi speciale. Prin eforturi
speciale nelegem resurse fizice sau logice, care permit gestionarea
unei memorii cu capacitate mai mare dect volumul obinut prin
calcularea adresei reieind din numrul de linii fizice ale
memoriei.
Un ceas electronic asigur coordonarea corespunztoare a
componentelor calculatorului. Componentele calculatoarelor cu
performane superioare pot opera la frecvene de ceas mai mari.
Frecvena ceasului indic viteza de operare a CPU i se msoar n
miliarde de impulsuri pe secund, adic n GigaHertzi (GHz).
1.1.2. Noiuni i termeni din domeniul sistemelor de operare
Un sistem de operare este un ansamblu de programe de control i
de serviciu care ghideaz un calculator n executarea sarcinilor sale
i asist programele de aplicaie i utilizatorul prin intermediul
anumitor funciuni. Natura funciilor i modul n care acestea sunt
realizate determin atributele care caracterizeaz un sistem de
operare: timpul de rspuns, simultaneitatea utilizrii, eficiena,
partajarea i protecia, universabilitatea, flexibilitatea,
extensibilitatea, fiabilitatea i disponibilitatea, transparena i
vizibilitatea [3].
Timpul de rspuns exprim durata intervalului delimitat de
lansarea unei cereri de serviciu i achitarea acesteia de ctre
sistem. Are dou componente: timpul de ateptare pentru ca cererea s
fie luat n consideraie i timpul de execuie a acestei cereri.
Simultaneitatea utilizrii msoar gradul n care un sistem poate s
execute n acelai timp mai multe lucrri.
Eficiena msoar proprietatea unui sistem de a folosi n mod optim
resursele de care dispune.
Partajarea i protecia caracterizeaz nivelul la care utilizatorii
au posibilitatea s utilizeze n comun informaia prezent n sistem i
nivelul la care pot s comunice ntre ei, n deplin siguran (n sensul
evitrii accesului neautorizat i/sau alterrii intenionate sau
accidentale a informaiei).
Unversalitatea, flexibilitatea, extensibilitatea msoar gradul n
care un sistem poate fi folositor (universalitate) i adaptabil
(flexibilitate) unui context specific, exprimat prin nivelul de
limitare impus programelor utilizatorului, precum i gradul n care
se pot include n sistem noi componente hardware i software fr
eforturi de proiectare i programare suplimentare
(extensibilitate).
Fiabilitatea i disponibilitatea exprim proprietatea unui sistem
de a cdea foarte rar n pan i de a evita goluri n funcionare din
cauza defectrii uneia sau mai multor componente ale sale.
Transparena i vizibilitatea exprim pe de o parte proprietatea
unui sistem de a face invizibil utilizatorului ceea ce se afl sub
interfaa de utilizare care i se ofer i, pe de alt parte,
capacitatea de a permite utilizatorilor si s obin anumite informaii
despre modul cum el lucreaz, informaii de care n mod teoretic ei nu
au nevoie pentru a beneficia de o utilizare complet, ns care ar
putea s-i ajute la obinerea unei utilizri mai eficiente [3].
Resursele program reprezint seturi de programe i date utilizate
pentru soluionarea anumitor probleme. Programul este transcrierea
ntr-un limbaj de programare a unui algoritm, altfel programul este
o secven de instruciuni sau simplu cod. Utilizatorul este oricare
doritor s ndeplineasc anumite lucrri la calculator. Prin lucrare
(sarcin, task) vom nelege un set de aciuni, necesare pentru
ndeplinirea unui lucru anume. Sarcina poate conine mai muli pai.
Paii de sarcin sunt uniti de lucru, care vor fi ndeplinite
consecutiv, de exemplu trei pai compilare, ncrcare i executare.
Primind o lucrare de la utilizator, sistemul de operare poate creea
cteva procese, prin proces nelegnd la moment, calcule care pot fi
efectuate paralel cu alte calcule.
Procesul mai poate fi definit drept traiectoria procesorului,
atunci cnd ultimul ndeplinete un set oarecare de programe.
Ansamblul programelor i datelor accesate n timpul procesului,
formeaz spaiul de adrese. Una din destinaiile sistemului de operare
este de a asigura proiectarea spaiului de adrese a unui proces n
memoria fizic. Pentru rezolvarea acestei probleme sunt utilizate
att resurse tehnice (sisteme cu organizarea memoriei pe segmente
sau pe pagini), ct i resurse program speciale.
Multiprogramarea este un termen utilizat n cazul unui sistem n
care pot exista simultan cteva procese n etapa de execuie. Un
proces se consider n execuie, dac calculele au nceput, dar la
momentul considerat nu au fost terminate sau ntrerupte (terminare
din cauza unei erori sau din alte motive). Nu este obligatoriu ca
un proces care se afl n execuie s fie i executat de procesor la un
moment dat.
Resursele hardware de protecie sunt utilizate cel mai des pentru
controlul accesrii memoriei. ntreruperea este un mecanism care
impune procesorul s observe anumite evenimente. Pot exista
mecanisme care permit s nu se acorde atenie unei anume ntreruperi
ntrerupere mascat. Resursele hardware de ntrerupere permit
sistemului de operare s coordoneze operaiile simultane; pot fi
utilizate i pentru a schimba ordinea de execuie a programelor.
1.1.3. Tipuri i exemple de sisteme de operare
Valorile concrete ale atributelor sistemelor de operare i
combinaii ale acestora determin diverse tipuri de sisteme i
restricii de implementare. Conform acestor atribute pot fi
evideniate sisteme de operare [3]:
secveniale
cu multiprogramare
cu prelucrare multipl
n timp real, etc.
Majoritatea sistemelor de operare recunosc programul ca cea mai
mic unitate de prelucrare, creia i se atribuie o identitate i pe
care un utilizator o poate prezenta spre execuie. Unele sisteme
permit ca un program s fie considerat ansamblu de sarcini ale cror
execuii (inclusiv n paralel) contribuie la atingerea obiectivului
urmrit de acest program.
Un sistem secvenial (tratare pe loturi, batch processing en.,
traitement par lots fr.) execut la un moment dat un singur program,
care trebuie terminat nainte de a lansa un alt program n
execuie.
Sistemele cu multiprogramare accept la un moment de timp dat mai
multe programe n memoria central, acestea aflndu-se n diverse
stadii de execuie.
Un sistem de calcul cu prelucrare multipl dispune de mai multe
procesoare, care pot s execute simultan unul sau mai multe
programe. Utilizarea efectiv a prelucrrii multiple necesit
atributul de multiprogramare. Execuia simultan a unui singur
program de ctre mai multe uniti presupune existena posibilitii de a
descompune acest program n mai multe procese sau fire de
execuie.Sistemele n timp real sunt dedicate, de obicei, funcionrii
n cadrul unor sisteme de comand i este necesar ca valorile anumitor
atribute s se ncadreze n anumite limite, dictate de dinamica
proceselor comandate.
Tipurile de sisteme de operare enumerate mai sus nu sunt nici
disjuncte i nici exhaustive. Majoritatea sistemelor existente pot
fi ncadrate n mai multe clase, atunci cnd se face o analiz prin
prisma obiectivelor pe care le urmresc. La capitolul obiective vom
aminti n primul rnd maximizarea eficienei sistemului de calcul i a
satisfaciei utilizatorilor. Tot la obiective poate fi trecut i
cererea de minimizare a posibilitii de apariie a erorilor i de
maximizare a transparenei sistemului de operare, garantarea
securitii datelor, optimizarea controlului comunicaiilor n cazul SO
de reea. Un obiectiv foarte important este minimizarea efortului
concepie-realizare a sistemului, ultim n enumerare, dar poate cel
mai important pentru specialiti.
Toate aceste obiective sunt consecine ale dezideratului
principal: un sistem de operare este destinat s administreze
resursele sistemului de calcul i anume memoria, procesorul
(procesoarele), dispozitivele i informaia.
Un sistem de operare este obligat:
s pstreze informaia despre starea fiecrei resurse
s ia decizia crui proces s i se aloce resursa, n ce cantitate i
cnd
s aloce resursa i
la momentul oportun s o retrag.
Exemplele care urmeaz [4] vor ilustra diversitatea funciilor
ndeplinite de ctre un sistem de operare, fr pretenii de
exhaustivitate. Pentru fiecare exemplu vom indica funciile puse n
arja sistemului de operare i caracteristicile principale ale
acestuia.
1.1.3.1. Cazul calculatoarelor personale
Configuraia cea mai simpl a unui calculator personal (PC)
include o unitate central, o memorie principal, un display, o
tastatur i un mouse. Aceast configuraie, de obicei, este completat
de o memorie secundar i o imprimant (fig.1.3).
Fig. 1.3. Structura unui calculator personal
Utilizatorul unui atare sistem va cere minimum urmtoarele dou
tipuri de servicii:
identificarea i crearea unor fiiere sau mulimi structurate de
informaii; stocarea acestor fiiere n memoria secundar; transferarea
informaiilor ntre fiiere i dispozitivele de intrare/ieire;
executarea unor programe existente n PC sau introduse sub form
de fiiere; introducerea datelor necesare pentru executarea
programului (de la tastatur, din fiier sau din alte surse);
listarea rezultatelor la display, imprimant sau copierea lor ntr-un
fiier.
Sistemul de operare poate acorda aceste servicii prin
intermediul unui limbaj special, numit limbaj de comand,
introducndu-se de la tastatur instruciuni de forma , sau utiliznd
mouse-ul i o interfa grafic a utilizatorului (GUI - graphical user
interface), acionrile mouse-lui fiind imediat interpretate de
sistem.
Iat dou exemple de secvene tipice de activiti n cazul unui
PC:
elaborarea unui program;
introducerea programului cu ajutorul tastaturii i a unui editor
de texte;
executarea programului introducndu-se datele necesare de la
tastatur i extrgnd rezultatele la display sau imprimant;
modificarea programului, dac rezultatele nu sunt satisfctoare i
repetarea execuiei;
perfectarea versiunii finale a programului, inclusiv
documentarea la necesitate a acestuia;
exploatarea unui program;
cererea de executare a unui program deja existent. Vor fi
pregtite n prealabil date de intrare sau acestea vor fi introduse
in mod interactiv la cerere cu ajutorul tastaturii;
afiarea rezultatelor pe ecran, listarea la imprimant sau
copierea lor ntr-un fiier pentru o utilizare ulterioar.
ntr-un atare sistem funcia partajare a resurselor poate s fie
lips, or PC-ul este folosit de un singur utilizator care are
controlul total asupra acestuia. Alocarea resurselor este legat de
gestionarea memoriei i administrarea fiierelor. Funciile principale
vizibile ale sistemului de operare constau n administrarea
fiierelor, realizarea operaiilor de intrare/ieire i interpretarea
comenzilor provenite de la interfaa utilizator-sistem de
operare.
Pentru acest tip de sisteme cele mai importante caracteristici
sunt:
fiabilitatea;
eficacitatea;
simplitatea utilizrii;
facilitatea extensibilitii prin adugarea unor utilite noi sau
adaptarea la periferice noi.
Ultimele dou aspecte pun n eviden importana interfeelor oferite
de sistem (limbajul de comand sau GUI).
1.1.3.2. Comanda unor procese industriale
La o uzin chimic sunt utilizate doua materii prime A i B pentru
sinteza produsului C conform fig. .4. Procesul de producere este
comandat de un calculator care ndeplinete urmtoarele funcii:
Reglare. Pentru o derulare bun a procesului de fabricaie
parametrii de funcionare (temperatura, presiunea, concentraia,
etc.) trebuie s se afle ntr-o plaj de valori predefinite. Pentru
aceasta va fi acionat debitul de intrare a materiilor prime A sau
B. Parametrii de funcionare sunt msurai cu ajutorul unor captoare.
Calculatorul preia aceste msurri i, n dependen de algoritmul de
comand, acioneaz robinetele de intrare. nregistrare. Rezultatele
msurrilor sunt periodic nregistrate; valorile lor sunt afiate pe un
tablou de bord i recopiate ntr-un fiier ("jurnal de bord") n scopul
unor prelucrri ulterioare (date statistice). Securitate. n cazul n
care unul dintre parametrii msurai depete o valoare critic
predefinit reactorul trebuie oprit imediat.Acest mod de funcionare
introduce unele restricii:1. Msurrile se produc periodic; fie T
valoarea intervalului de timp dintre dou msurri consecutive
(perioada de eantionare), iar t - timpul total de prelucrare a
datelor de ctre calculator (msurarea propriu-zis a semnalelor
observate, nregistrarea, calcularea semnalelor de comand i
acionarea robinetelor). Sistemul va funciona doar n cazul
respectrii relaiei t ( T.2. Securitatea sistemului are prioritate
maxim. Depirea unor valori critice trebuie s fie detectat n orice
moment i tratarea acestor accidente va ntrerupe toate operaiile n
curs de execuie.Funciile principale ale sistemului de operare
sunt:
acionarea organelor externe (citirea semnalelor captoarelor,
comanda robinetelor); evidena timpului real (declanarea periodic a
ciclului de calculare a semnalelor de comand); reacia la
evenimentele exterioare (oprire de urgen); gestiunea informaiilor
(pstrarea i ntreinerea jurnalului de bord).Existena unor restricii
stricte privind durata de prelucrare a informaiilor, noiunea de
tratare prioritar, conectarea la dispozitive exterioare de msurare
i acionare sunt caracteristice aplicaiilor informatice n timp real.
Pot fi menionate i alte domenii cu comand n timp real: centralele
telefonice, comanda aparatelor de zbor, robotica, monitoringul
medical, etc.
n cazul acestor sisteme caracteristica principal este
fiabilitatea, or rezultatele unei funcionri neadecvate pot fi
catastrofale. Sistemul trebuie s garanteze un serviciu minim n
cazul unor cderi n pan a dispozitivelor tehnice, unor evenimente
accidentale sau erori umane.
1.1.3.3. Sisteme tranzacionale
Caracteristicile principale ale sistemelor tranzacionale sunt
urmtoarele:
sistemul gestioneaz un set de informaii sau baze de date, care
pot atinge volume importante;
asupra acestor informaii pot fi executate anumite operaii
predefinite, sau tranzacii, adesea interactive;
sistemul este dotat cu un mare numr de puncte de acces i un mare
numr de tranzacii pot derula simultan.
Ca exemplu pot fi menionate sistemele de rezervare a biletelor,
de gestiune a conturilor bancare, de arhivare i consultare a
documentelor.
Restriciile sunt n primul rnd legate de integritatea i coerena
intern a informaiilor, care formeaz bazele de date. Aceste
restricii depind, evident de aplicaie. De exemplu, numrul de locuri
rezervate ntr-un avion nu poate depi numrul locurilor disponibile,
un loc distinct poate fi atribuit unei singure persoane, etc.
Calitile obligatorii ale unui sistem tranzacional sunt
disponibilitatea i fiabilitatea; pentru unele sisteme poate fi
important i tolerana la defeciuni. O caracteristic important ale
sistemelor tranzacionale este multitudinea activitilor paralele,
iar n multe cazuri i repartizarea geografic a componentelor.
1.1.3.4. Sisteme cu partajarea timpuluiDestinaia principal a
unor astfel de sisteme este furnizarea serviciilor necesare unei
mulimi de utilizatori, fiecare dintre ei beneficiind de
servicii:
echivalente serviciilor unui calculator individual;
legate de existena unei comuniti de utilizatori: partajarea
informaiilor, comunicaii ntre utilizatori.
Problemele care apar datorit conceptului de partajare a timpului
sunt o combinaie a problemelor existente n cazul unui calculator
individual cu cele din sistemele tranzacionale i pot fi clasificate
dup cum urmeaz:
definirea mainii virtuale, oferite fiecrui utilizator;
partajarea i alocarea resurselor fizice comune: procesoare,
memorii, organe de comunicaie;
gestionarea informaiilor partajate i a comunicaiilor.
Caracteristicile obligatorii unui atare sistem combin n egal
msur calitile unui sistem de operare al unui calculator individual
i al unui sistem tranzacional: disponibilitatea, fiabilitatea,
securitatea, exploatarea optim a resurselor fizice, calitatea
interfeei i serviciilor utilizatorului, simplitatea adaptrii i
extensibilitii.
1.2. Puncte de vedere asupra sistemelor de operare
1.2.1. Sistemul de operare i procesele
Noiunea de proces, introdus mai sus, este asociat conceptului de
lucrare (pentru a lua n considerare aspectele dinamice) i poate fi
definit altfel ca o suit temporal de execuii de instruciuni, fiind
o entitate de baz n descrierea sau analiza funcionrii unui sistem
de operare. Evoluia n timp a unui proces presupune un consum de
resurse, dictat de natura i complexitatea instruciunilor de
executat. Orice utilizare a unei resurse este asociat, la un moment
dat, unui proces i procesul respectiv i asum rspunderea utilizrii
acestei resurse. n particular, rezult c ori de cte ori se execut
procedurile de sistem, resursele pe care le utilizeaz sistemul intr
n administrarea procesului (fie el i al utilizatorului), care a
cerut serviciul. Mulimea resurselor (procesorul, memoria central,
informaia, dispozitivele) alocate unui proces variaz n timp
(dinamica procesului).
Anterior un sistem de operare a fost definit ca un set de
programe destinat s administreze resursele. Care sunt relaiile
dintre programele sistemului de operare? Atunci cnd un proces este
creat, care este ordinea de utilizare a unui anume program al SO?
Pentru a rspunde la aceste ntrebri (i la altele) vom face cunotin
cu ciclul de via a unui proces. n fig. 1.5 sunt prezentate trei
procese (trei sarcini ale utilizatorilor, lansate n execuie)
existente ntr-un sistem cu multiprogramare.
Fig. 1.5. Trei procese ntr-un sistem cu multiprogramare
Ciclul de via a unui proces poate fi reprezentat printr-un set
de stri ale procesului i tranziiile de la o stare la alta. Vom
evidenia trei stri elementare ale unui proces: proces ales (sau
exe) procesului i s-a alocat un procesor, este n curs de execuie,
proces blocat (wait) procesul ateapt s se produc un anumit
eveniment a crui apariie este indispensabil, proces eligibil
(ready) procesul are la dispoziie toate resursele necesare lips
fiind doar procesorul, adic este pregtit s fie execute din momentul
alocrii unitii centrale (fig. 1.6).
Fig. 1.6. Strile elementare din ciclul de via a unui proces
Modelul prezentat n figura 1.6 este unul puternic simplificat, n
realitate existnd abateri substaniale n direcia complexitii (fig.
1.7). Sistemul de operare este acea component, care va ghida
procesul prin toate aceste stri.
Fig. 1.7. Modelul strilor unui proces i componentele SO
responsabile de tranziii1.2.2. Main ierarhic i main extins
Astzi este greu de nchipuit c doar cu cteva decenii n urm un
utilizator era nevoit s programeze n zerouri i uniti, utiliznd o
maina goal. Chiar i specialitii nu prea iubesc s scrie programe
ntr-un limbaj de asamblare sau (i mai evident) utiliznd doar
instruciuni din setul, garantat de resursele fizice. Un program
elaborat de un specialist poate fi de forma [1]:
1. Transfer C, BStabilete C=B
2. Gsete zona 80, XS se gseasc 80 de octei de memorie liberi i s
se plaseze adresa zonei n X
3. Introdu date n XS se citeasc datele indicate n zona X
4. Compar X(2), /*Coincide coninutul primilor 2 octei ai zonei X
cu /*?
5. Dac da, STOPDac coincid, salt la STOP
Instruciunile 1, 4 i 5 sunt instruciuni standard n multe
calculatoare contemporane. ns execuia corect i eficient a
instruciunilor 2 i 3 poate solicita ndeplinirea a zeci, sute sau
chiar mii de comenzi din setul standard, deoarece aceste
instruciuni cer interaciunea cu unele resurse cheie, cum ar fi
memoria operativ i dispozitivele de intrare-ieire. Sistemul de
operare asigur instruciuni pentru realizarea unor astfel de funcii
de administrare a resurselor: instruciunile 2 i 3 sunt instruciuni
ale mainii extinse ele neavnd echivaleni n setul de instruciuni
hardware. Sistemul de operare completeaz setul standard, realizat
hardware, cu instruciuni de acest gen.
Setul de instruciuni realizat hardware mpreun cu instruciunile
suplimentare ale sistemului de operare formeaz sistemul de comenzi
al mainii extinse. Grafic conceptul de main extins poate fi
reprezentat conform fig. 1.8. Sistemul de operare este executat pe
maina goal, iar programele utilizatorului pe maina extins. S facem
cunotin acum cu modul n care sunt organizate ntr-un tot ntreg
componentele sistemelor de operare.
Primele sisteme de operare erau formate dintr-un singur program
mare. Dar, odat cu sporirea complexitii sistemelor, aceast abordare
liniar conducea la dificulti serioase i s-a propus s se utilizeze i
n acest domeniu conceptul de main extins. Acest concept, n cazul
sistemelor de operare, poate fi utilizat n dou nivele (fig. 1.9) i
conduce la noiunea de main ierarhic [4]: primul nivel - funciile
cheie, utilizate de majoritatea modulelor de sistem, pot fi
realizate n cadrul unei maini extinse interne i nivelul doi - unele
module pot fi executate n cadrul unei maini extinse externe,
analogic proceselor utilizatorului.
n aceast abordare ierarhic apare imediat problema alegerii
corecte a nivelului de ierarhie pentru fiecare modul al sistemului
de operare (n maina extins intern, extern sau va fi prezent n
calitate de proces extern). Pot fi evideniate subnivele ale celor
dou maini extinse, iar interaciunea proceselor sistemului de
operare ne conduce la necesitatea introducerii mai multor straturi
ale proceselor. Modulele sistemului, plasate n cadrul mainii
extinse, spre deosebire de modulele care aparin straturilor
proceselor, formeaz nucleul sistemului de operare. Concepia mainii
ierarhice este pe larg utilizat n proiectarea programelor mari
utiliznd metodele, cunoscute sub denumirea programare modular sau
programare structural. Nu exist reguli stricte n privina numrului
de nivele, amplasrii modulelor pe nivele, componena nucleului. De
obicei, nucleul conine doar cele mai necesare i evidente funcii,
celelalte, atunci cnd este posibil, vor fi prezente ca procese de
sistem separate. O detalizare a conceptului de main ierarhic este
adus n fig. 1.10. Procesele (incluse n dreptunghiuri) se adreseaz
ctre funciile nucleului i utilizeaz mpreun sursele sistemului.
Unele procese genereaz sau comand alte procese (grania dintre ele
este prezentat de liniile n zig-zag, care separ diferite straturi
ale proceselor). ntr-o realizare strict ierarhic modulele, situate
ntr-un nivel oarecare, pot accesa (se pot adresa) numai resursele
nivelelor inferioare.
La nivelul 1 (nivelul cel mai inferior) sunt situate funciile de
care au nevoie toate componentele administrrii resurselor. Una
dintre acestea este funcia care urmrete repartizarea resurselor,
funcie, care la rndul su, solicit anumite mijloace de sincronizare.
Aceste operaii elementare sunt numite P-operator (ocuparea resursei
sau cererea de acces) i V-operator (eliberarea resursei).
Sincronizarea se face printr-o tehnic de programare, numit semafor.
Fiecrei resurse i este ataat un semafor. Atunci cnd n sistem apare
o cerere pentru o resurs oarecare, pentru testarea semaforului
respectiv este utilizat P-operatorul; dac semaforul este pe verde
(resursa este liber), P-operatorul l trece pe rou (l nchide) i
returneaz controlul. n caz contrar, procesul care a generat cererea
este trecut n stare de ateptare, pentru ca mai trziu, atunci cnd
V-operatorul va elibera resursa i va trece semaforul pe verde, s
acceseze resursa.
Amplasarea funciilor elementare pe nivele poate fi fcut n felul
urmtor:
Nivelul 1.Administrarea procesoarelor (nivelul inferior)
P - operatorii de sincronizare
V - operatorii de sincronizare
planificarea proceselor (aparatul de multiprogramare)
Nivelul 2.Administrarea memoriei
alocarea memoriei
eliberarea memoriei
Nivelul 3.Administrarea procesoarelor (nivelul superior)
crearea i distrugerea unui proces
transmiterea i recepionarea mesajelor ntre procese
lansarea unui proces
oprirea unui proces
Nivelul 4.Administrarea dispozitivelor
urmrirea strilor tuturor dispozitivelor periferice
planificarea intrrilor/ieirilor
iniierea operaiilor de intrare/ieire
Nivelul 5.Administrarea informaiei
crearea i distrugerea unui fiier
deschiderea i nchiderea unui fiier
citirea i nscrierea unui fiier.
Nucleul sistemului de operare este format de subprogramele, care
asist execuia proceselor. Pentru a decide care funcii pot fi
realizate n form de procese separate este necesar s se stabileasc
funciile care pot fi executate independent i n mod paralel cu
procesele utilizatorului (nu se va ctiga nimic evideniind n procese
separate funcii care trebuie s fie ndeplinite secvenial). Sistemele
avansate permit crearea oricrui numr de procese, ceea ce este
foarte comod pentru organizarea calculelor paralele sau a
regimurilor de timp real. n cadrul tehnologiilor noi noiunea de
proces a fost substanial modificat, introducndu-se alte concepte
(fire, thread en.), care exploateaz ntr-un mod mai eficient ideile
multitasking-ului i multiprogramrii.
1.2.3. Alte puncte de vedere
n compartimentele precedente au fost tratate sistemele de
operare din diferite puncte de vedere, cum ar fi SO i procesele, SO
i maina extins sau SO i maina ierarhic. Exist i alte puncte de
vedere asupra sistemelor de operare pe care un specialist ar trebui
s le cunoasc.
Pentru un utilizator obinuit, convins c un calculator este doar
un instrument care l ajut n rezolvarea unor probleme din domeniul
su de activitate, noiuni cum ar fi administrarea memoriei cu
paginaie sau driverele dispozitivelor nu semnific prea multe.
Destinaia principal a unui sistem de operare pentru aceast
categorie de utilizatori este punerea la dispoziie a unui set de
programe care ar ajuta n formularea i rezolvarea problemelor
concrete. Abordarea sistemelor de operare din acest punct de vedere
(abordare funcional) poate conduce la confundarea lor cu unele
programe, utile i foarte importante cum sunt translatoare,
bibliotecile, mediile integrate, etc. Pentru a evita posibilitatea
apariiei unei astfel de probleme aceste programe, de obicei, nu
sunt considerate componente ale sistemului de operare.
Interfaa sistemului de operare cu utilizatorul prezint un
interes aparte. Progresul n acest domeniu este spectaculos, dac vom
lua n consideraie c n primele sisteme de operare utilizatorul era
obligat s indice n mod explicit i manual fiecare pas, orict de
nesemnificativ ar fi prut. Formularea pailor cu ajutorul limbajului
de control al lucrrilor (Job Control Language, JCL) nu a schimbat
substanial situaia. Acest limbaj, nefiind agreat de utilizatorii
simpli, care l-au denumit limbaj psresc, aa i nu a fost acceptat de
ctre acetia.
Conform JCL utilizatorul trebuie s ncorporeze programul propriu
ntr-un set de instruciuni, care indicau nceputul, sfritul
programului i al datelor de intrare, paii i coninutul concret al
pailor. JCL n principiu era un metalimbaj de programare (programare
la nivel macro). Pentru mijloacele tehnice de la acea perioad JCL a
sporit substanial eficiena sistemelor de calcul, dei au existat
multe inconveniente, principalul fiind lipsa posibilitii lucrului
interactiv.
Microprocesoarele i memoriile anilor 1970 au pus problema
lansrii pe pia a calculatoarelor personale (PC) cu toate
consecinele asociate. Una din consecine este i interfaa
utilizator-calculator, sistemul de operare devenind pn la urm
responsabil de aceasta. Interfaa grafica a utilizatorului
(Graphical User Interface - GUI) a aprut mai nti ca un complement
al sistemului de operare (pentru MS DOS - Windows 1, Windows 2 sau
chiar Windows 3, de exemplu), pentru ca mai apoi s fie integrat n
cadrul sistemului (Windows 95, Windows NT, etc.). Un sistem de
operare nu este, n principiu, obligat s posede o interfa
sofisticat, totul este determinat de baza tehnic utilizat i de
necesitile concrete. Oricum, un specialist trebuie s disting aceste
dou noiuni sistemul de operare i interfaa utilizatorului.
1.3. Evoluia sistemelor de operare
O analiz cronologic a dezvoltrii sistemelor de operare este greu
de realizat, deoarece multe din principiile foarte importante au
fost realizate pentru prima dat cu mult nainte de a deveni unanim
acceptate. De exemplu, conceptele de memorie paginat i memorie
virtual au fost realizate pentru prima dat n 1959 n cadrul
sistemului Atlas [5], fiind utilizate la mijlocul anilor 1960 n
unele sisteme cu destinaie special, pentru ca n 1972 s fie preluate
de firma IBM n cadrul familiei de calculatoare mari.
Primele sisteme erau caracterizate prin prelucrarea secvenial a
sarcinilor. Timpul de execuie a programelor era relativ mare,
instrumentele de depanare primitive, fiecare programator i ncrca n
mod individual programul (pachetul de cartele perforate), apsa
butoane, controla coninutul locaiunilor de memorie, etc. (1950
1956).
Sporirea vitezei de calcul, dar i a preului calculatoarelor
cerea o utilizare mai eficient a timpului de calculator. Nu putea
fi tolerat situaia ca un calculator s nu fac nimic, atunci cnd
utilizatorul i ncarc n mod manual programul. Au fost propuse
programe de monitorizare (monitoare), care treceau de la o lucrare
la alta n mod automat, utilizatorul fiind responsabil de
organizarea corect a programelor n cadrul unui pachet primele
ncercri de prelucrare pe loturi (1956 1959).
Odat cu creterea complexitii calculatoarelor, ndeosebi n ceea ce
consta administrarea dispozitivelor periferice, au fost propuse
sisteme supervizoare (executive), care se aflau n memoria
calculatorului n mod constant i acordau utilizatorilor servicii n
gestiunea operaiilor de intrare/ieire (1959 1963). n aceste sisteme
de operare erau realizate i o serie de faciliti noi, cum ar fi
controlul unor posibile ncercri din partea programului de a nclca
restriciile existente n sistem, culegerea informaiilor de eviden,
etc.
Au urmat apoi sistemele cu multiprogramare menite la nceput s
rezolve problema armonizrii vitezei de calcul a unitii centrale i a
perifericelor. Drept consecin, au aprut o mulime de limbaje de
control a lucrrilor, a fost realizat o standardizare substanial a
operaiilor de intrare-ieire.
Dup 1965 au aprut primele sisteme cu partajare a timpului (time
sharing), au fost propuse sisteme sofisticate de administrare a
informaiei (sisteme de gestiune a datelor sau sisteme de fiiere,
File Systems). Principiul time sharing oferea posibilitatea
lucrului interactiv a mai multor utilizatori pe un singur
calculator, fiecrui utilizator n mod ciclic acordndu-i-se un
interval anume de timp (cuant de timp) i, datorit vitezei mari de
calcul a unitii centrale, crendu-i-se impresia posesiei tuturor
resurselor calculatorului.
Memoria virtual i mainile virtuale sunt nite principii care nici
pn astzi nu au fost exploatate pn la capt. Progresele ultimilor ani
n domeniul resurselor tehnice au permis implementarea acestor
principii nu numai n cadrul sistemelor de calcul mari, ci i pentru
calculatoarele personale. Specificaiile sistemelor de operare au
fost n mare msur standardizate, diversitatea SO devine tot mai mic,
muli specialiti exprimndu-i ngrijorarea de o posibil monopolizare a
domeniului ntr-un viitor apropiat. Evident, aceasta nu poate s
sugereze nici ntr-un caz ideea c studierea principiilor de baz (mai
vechi i mai noi) ale sistemelor de operare ar fi de prisos, ca i
familiarizarea sau chiar cercetarea minuioas a unor sisteme
existente, nicidecum nu poate nsemna, n special pentru un
specialist, pierderea interesului fa de analiza i concepia
sistemelor de operare.
O prezentare succint a evoluiei sistemelor de operare faciliteaz
nelegerea caracteristicilor actuale ale acestora i a termenilor
deja introdui.
1.3.1. De la "poart deschis " la tratarea pe loturi
Primele calculatoare nu dispuneau de sisteme de operare. Fiecrui
utilizator i se rezerva pentru un timp determinat calculatorul cu
toate resursele acestuia. Interaciunea era direct, programul i
datele fiind introduse n mod manual sub form de zerouri i uniti.
Utilitarele care au aprut aveau destinaia de a asista elaborarea
programelor (asambloare, compilatoare, etc.) sau de a facilitata
operaiile de intrare-ieire.
Acest mod de exploatare, numit "poart deschis", era de o
eficacitate minim, dispozitive foarte costisitoare fiind utilizate
ineficient. Din aceast cauz la sfritul anilor 1950 au aprut primele
"monitoare de nlnuire" - programe care permiteau executarea
secvenial a unui set de lucrri, pregtite anticipat, trecerea de la
o lucrare la alta fiind realizat n mod automat.
Funcia principal a unui atare sistem era gestiunea resurselor:
memoria, procesorul, dispozitivele perifierice. Automatismul
acestei gestionri implic o funcie de protecie a setului de lucrri
contra unor riscuri perturbatorii in caz de eroare:
limitarea timpului de ocupare a procesorului pentru a evita
blocarea sistemului atunci cnd un program conine o bucl
infinit;
administrarea corect a intrrilor-ieirilor pentru a evita
blocajele n utilizarea perifericelor;
protecia zonei de memorie rezervate monitorului pentru a
mpiedica modificarea accidental a acestuia.
Dei utilizarea monitoarelor de nlnuire a ameliorat notabil
randamentul utilizrii procesorului, acest randament rmnea foarte
sczut din cauza c procesorul nu era folosit n timpul operaiilor de
intrare-ieire. O soluionare ar fi constat n utilizarea a dou
calculatoare - unul (principal) pentru executarea programelor i
altul (auxiliar) pentru operaiile de intrare-ieire. O planificare
adecvat a executrii lucrrilor permitea utilizarea celor dou
calculatoare n paralel, dnd posibilitatea sporirii la maximum a
randamentului calculatorului principal.
1.3.2. Multiprogramarea
Progresul tehnologic i conceptual al anilor 1960 - 1970 a permis
excluderea unor limitri caracteristice sistemelor de tratare pe
loturi. Astfel, au fost introduse procesoare specializate pentru
operaiile de intrare-ieire (unitile de schimb sau canalele), care
permiteau eliberarea procesorului central de gestionarea
dispozitivelor de intrare-ieire. Introducerea principiului
multiprogramrii cu partajarea memoriei ntre mai muli utilizatori au
permis o utilizare i mai bun a procesorului central.
1.3.2.1. Organizarea intrrilor - ieirilor n zone de memorie
tampon
Un canal este un procesor specializat n executarea autonom a
operaiilor de intrare-ieire, paralel cu procesul de prelucrare a
informaiilor. Viteza de lucru a organelor periferice este relativ
mic din cauza unor dispozitive mecanice care intr n componena
acestora. Pentru excluderea influenei perifericelor asupra vitezei
de lucru a sistemului de calcul s-a propus s se pstreze n memorie n
anumite zone tampon datele de intrare (care vor fi utilizate la
necesitate) i rezultatele (care vor fi imprimate n mod autonom) mai
multor lucrri. Aceast situaie este prezentat n fig.1.11.
Pentru a exclude utilizarea ineficient a memoriei operative prin
formarea zonelor-tampon, acestea erau organizate n memoria secundar
de capacitate nalt, transferurile ntre aceste dou nivele ale
memorie fiind de asemenea comandate de un canal.
Dei utilizarea memoriilor tampon prezint o serie de avantaje
privind sporirea randamentului dispozitivelor calculatorului, totui
dou momente negative pot fi menionate:
atunci cnd lucrarea n curs de execuie are nevoie de date
unitatea central rmne inactiv pe toat perioada citirii acestora; o
lucrare de scurt durat, sosit n timpul execuiei unei lucrri
"lungi", trebuie s atepte terminarea acesteia din urm.
1.3.2.2. Multiprogramarea
Ultimele dou momente au condus la ideea utilizrii unui mod de
funcionare a SO n care:
o lucrare aflat n starea eligibil s poat folosi unitatea
central, eliberat de o lucrare care trece n ateptarea datelor,
unitatea central s poat modifica timpul su de alocare nainte de
terminarea unei lucrri n scopul satisfacerii cerinelor legate de
timpul de rspuns.n acest caz este necesar ca valoarea timpului de
comutare a unitii centrale s fie mai mic n raport cu durata unui
transfer ntre nivelele memoriei. Aceasta implic prezena simultan n
memoria operativ a mai multor programe sau pri de programe. Acest
mod de funcionare este numit multiprogramare [6] i este prezentat n
figura 1.12.
Schema din figura 1.12 evideniaz dou momente importante: rolul
principal al memoriei operative (n SO anterioare acest rol era
deinut de ctre unitatea central) i fluxul informaional ntre memoria
operativ i cea secundar. Drept consecin, volumul memoriei operative
i viteza de transfer ntre cele dou nivele ale memoriei devin
caracteristici determinante ale performanei sistemului.
Principalele avantaje i restricii ale multiprogramrii pot fi
prezentate n rezumat dup cum urmeaz:
un sistem cu multiprogramare este mai complicat de conceput i
implementat pentru c el trebuie s asigure partajarea memoriei i
protecia reciproc a programelor;
multiprogramarea solicit dispozitive speciale pentru relansarea
programelor i protecia memoriei;
un sistem cu multiprogramare asigur o utilizare mai uniform a
resurselor: unitatea central, memoria, organele de
intrare-ieire;
multiprogramarea permite reducerea timpului de rspuns n cazul
lucrrilor de durat mic ntr-un sistem cu prelucrare secvenial.
1.3.2.3. Partajatarea timpuluiUn sistem de operare cu partajarea
timpului trebuie s garanteze fiecrui utilizator un timp acceptabil
de rspuns. Acest rezultat este obinut prin alocarea succesiv a
procesorului pentru trane de timp (cuante) relativ mici programelor
utilizatorilor. Viabilitatea unei asemenea tehnici este legat de
caracteristicile lucrului interactiv. Activitatea unui utilizator
conine dou componente: timpul de reflecie (gndire), n care
utilizatorul elaboreaz, propune subiecte de lucru, introducnd n
calculator informaii i timpul de ateptare, cnd ateapt prestarea
serviciului solicitat. Prima component este de o durat medie mult
mai mare dect a doua i sistemul poate s serveasc simultan mai muli
utilizatori, folosind timpul mort, datorat perioadei de
reflecie.
Ca exemplu, fie un sistem cu partajarea timpului, care deservete
1000 utilizatori cu un comportament mediu identic. Admitem c durata
timpului de gndire este n medie de 9 ori mai mare dect a timpului
de ateptare, acesta din urm reprezentnd 10% din timpul total. Avem
n medie 100 utilizatori activi (care se afl n ateptarea unui rspuns
la un serviciu cerut). Presupunem c valoarea cuantei este de 5 ms.
Dac executarea unei cereri dureaz o cuant, timpul de rspuns va fi
de ordinul unei jumti de secund.
Am admis n acest exemplu c toate programele utilizatorilor
activi se afl n memoria principal: timpul de comutare ntre
programele a doi utilizatori se reduce la timpul de realocare a
unitii centrale, care poate fi neglijat n comparaie cu valoarea
cuantei. Multiprogramarea devine obligatorie, dac inem cont de
raportul dintre acest timp i timpul necesar pentru ncrcarea unui
program n memoria secundar. Situaia este de fapt i mai complicat:
volumul memoriei principale nu permite aflarea aici a tuturor
programelor utilizatorilor activi. Este posibil ca o informaie s
fie lips n memoria operativ atunci cnd unitatea central are nevoie
de ea. Rolul sistemului de operare este de a minimiza pe ct este
posibil probabilitatea apariiei unui atare eveniment.
Dezvoltarea sistemelor de operare cu partajarea timpului a pus n
eviden importana interaciunii om-calculator. Acest aspect a fost
mult timp neglijat, dar cei care au procedat altfel au avut doar de
ctigat.
Apariia microprocesoarelor cu posibiliti mari de calcul i preuri
tot mai mici a permis pe de o parte utilizarea la scar larg a
calculatoarelor personale, iar pe de alt parte, satisfacerea
cerinelor utilizatorilor sistemelor informatice de partajare a
resurselor fizice i logice distribuite geografic. Au aprut noi
tipuri de sisteme informatice: calculatoarele personale, reelele
locale i reelele globale.
Conceptele i tehnicile elaborate pentru sistemele centralizate
au rmas valabile i n cazul serverelor sau sistemelor de operare
pentru calculatoarele personale. Repartizarea distribuit a
informaiei, precum i transmiterea ei la distane mai mari sau mai
mici a ridicat probleme noi, cum ar fi coordonarea activitilor la
distan sau meninerea coerenei informaiilor distribuite. Toate
acestea au trebuit s fie luate n consideraie la elaborarea
sistemelor de operare de reea.
1.3.3. Windows, Unix i alte sisteme
Paralel cu evoluia tehnic i funcional a sistemelor de operare a
avut loc i o important evoluie conceptual, care a permis o mai bun
nelegere a funcionrii SO i a condus la elaborarea unor metode
proprii de concepere.
Anul 1964 poate fi considerat de debut pentru cercetrile
tiinifice n domeniul sistemelor de operare, cercetri care au fost
generate de rezultatele obinute n sfera tehnic - primele sisteme cu
partajare a timpului (Thor, CTSS), anunarea seriei IBM 360 i
introducerea canalelor de intrare-ieire, prima memorie paginat
(Atlas), etc. n perioada 1965-1968 au fost fundamentate concepte
teoretice importante, necesare pentru contientizarea gestionrii
activitilor fizice sau logice paralele: proces secvenial,
excluderea mutual, sincronizarea, semaforul. Acestea au fost
aplicate cu succes la elaborarea sistemelor de operare: sistemul
THE (1967) utilizeaz semafoarele, sistemul Multics (1964-1970)
conine un nucleu de gestionare a proceselor. Metode i utilitare
destinate sistemelor distribuite sunt propuse la sfritul anilor
1970. Utilitarele de sincronizare ncep s fie introduse n limbajele
de programare. Sunt propuse primele metode de specificare i control
al validitii sincronizrilor.
Problema definirii informaiei a fost pus iniial n seama
limbajelor de programare: fiecare limbaj definea universul su de
obiecte accesibile i mijloacele efective de accesare. Sistemul de
operare trebuia doar s implementeze obiectele definite de limbajul
de programare n memoria fizic, direct adresabil.
Restriciile de capacitate i pre a memoriei principale a condus
foarte repede la modificarea modului de utilizare a memoriei
secundare i introducerea unor mecanisme de schimb de informaii ntre
aceste dou nivele ale memoriei. Prima memorie paginat apare n 1962
(Atlas), tot atunci compilatoarele limbajului Algol 60 folosesc
paginaia virtual pentru gestionarea programelor n curs de execuie.
n 1965 este fundamentat noiunea de segmentare, dei nc n 1959
sistemul Burroughs B5000 utiliza un mecanism de adresare logic prin
uniti de volum variabil - segmente. n 1966 este propus un model de
arhitectur pentru calculatoarele cu partajare a timpului,
implementat n IBM 360/370. n acest calculator segmentele sunt doar
simulate printr-o dubl paginaie, din care cauz noiunea de
segmentare va rmne pentru un timp puin neleas de comunitatea
informatic. Problemele partajrii i proteciei informaiei, alocrii
resurselor conduc la noiunea de memorie virtual, care permite
izolarea mecanismelor de gestionare a ansamblului memorie principal
- memorie secundar, lsnd utilizatorilor simpli impresia unui spaiu
de adrese uniform (contiguu). Tot atunci au fost introduse noiunile
de modularitate i structurare ierarhic, obiect, etc.
Astzi sistemele de operare n sensul tradiional de concepere sunt
mai mult obiectul unor elaborri industriale, dect de cercetare.
Aceasta se datoreaz att existenei unei rezerve extraordinare de
metode i algoritmi, ct i standardizrii stricte a funciilor i
interfeelor sistemelor de operare.
1.3.3.1. S UNIX i sistemele deschise
Sistemul de operare UNIX, primul sistem mobil care asigur un
mediu fiabil de dezvoltare i utilizare a softului de aplicaie, este
fundamentul practic de elaborare a sistemelor fizico-logice
deschise. Implementarea larg a SO UNIX a permis trecerea de la
declararea conceptului sistemelor deschise la dezvoltarea n practic
a acestui concept. Este greu de supraestimat i influena activitilor
de standardizare a interfeelor SO UNIX asupra dezvoltrii domeniului
sistemelor deschise. Cu toate acestea, pot fi evideniate cteva
versiuni ale SO UNIX, care difer att prin realizare, ct i prin
interfee i semantic, chiar dac, odat cu dezvoltarea procesului de
standardizare, aceste diferene devin tot mai nesemnificative.
Modulele surs ale SO UNIX au fost scrise de ctre colaboratorii
companiei AT&T i timp ndelungat drepturile de autor, ca i
drepturile de liceniere, au aparinut acestei companii. Mai trziu,
din mai multe motive (complexitate tehnic n elaborarea i mentenana
acestui produs program complicat, probleme juridice, etc.),
compania AT&T a creat entitatea USL (UNIX System Laboratories),
responsabil exclusiv de dezvoltarea i susinerea SO UNIX.
Compania USL a propus versiunea UNIX System V 4.0, care a
devenit standardul de-facto i baza mai multor versiuni UNIX, create
de productorii de staii de lucru i servere. n ultimul succes al USL
n calitate de filial a firmei AT&T - versiunea SVR 4.2 - pentru
prima oar n istoria SO UNIX a fost realizat mecanismul proceselor
lejere (fire, en. thread), care erau executate n baza unei memorii
virtuale comune i permitea exploatarea conceptului arhitectur
multiprocesoral simetric n care mai multe procesoare au drepturi
egale de accesare a memoriei operative comune.
n anul 1993 USL a fost absorbit de compania Novell, devenind
astzi departament al acesteia, marca nregistrat UNIX fiind cedat
consoriumului X/Open. La nceputul anului 1995 compania Novell a
anunat o variant nou a SO UixWare 2.0 bazat pe System V 4.2. Era un
SO cu un sistem de fiiere foarte fiabil, fiind admis accesul la
fiierele pstrate pe serverele NetWare, administratorul avea la
dispoziie o interfa grafic bine pus la punct, etc.
Pe parcursul a mai multor ani sistemul de operare de baz al
companiei Sun a fost UNIX BSD. ns, ncepnd cu SunOS 4.0, s-a trecut
la System V 4.0, firma Sun introducnd o serie de modificri i
extensii n aceast versiune. Ca exemplu, Sun a implementat
paralelizarea programelor pentru sistemele multiprocesorale
simetrice. Solaris este o interfa a lui SunOS cu mijloace
suplimentare GUI i resurse de nivel nalt pentru organizarea
lucrului n reea (de exemplu, apelarea procedurilor la distan RPC).
i la baza SO HP/UX, DG/UX i AIX se afl SVR 4.x din care cauz setul
de baz al funciilor de sistem i biblioteci este acelai. Variantele
SO UNIX, propuse de compania SCO i destinate exclusiv platformelor
Intel, sunt bazate pe modulele iniiale ale System V 3.2, fiind
compatibile cu toate standardele de baz
Open Software Foundation (OSF) a fost prima companie comercial,
care a ncercat elaborarea SO UNIX n baza micronucleului Mach. A
fost creat sistemul de operare OSF-1, care nu era curat (n sens de
liceniere), deoarece folosea o parte a modulelor iniiale din SVR
4.0.
Variantele SO UNIX, propuse de Universitatea din California,
sunt o alternativ real pentru UNIX AT&T. De exemplu, UNIX BSD
4.2 era pus la dispoziie n module surs i folosit chiar n fosta URSS
pe calculatoarele de tip CM-3, CM-4. Grupul BSD a influenat enorm
dezvoltarea sistemelor de operare UNIX, printre realizri amintim
mult controversatul SO UNIX BSD 4.4, construit n baza principiilor
micronucleare, sistemul FreeBSD i altele.
Nu putem s nu amintim aici i de realizarea original a SO UNIX
pentru platformele Intel, propus de Torvald Linus LINUX. Este un
sistem de operare foarte popular n mediul studenesc, care are i una
din cele mai populare teleconferine n Internet.
1.3.3.2. Standarde UNIX
Odat cu ieirea SO UNIX pe pia i creterea substanial nu numai a
numrului de utilizatori, ci i a numrului de specialiti din toate
colurile lumii, care propun modificri i chiar variante proprii, a
aprut necesitatea elaborrii unor standarde, care ar asigura
compatibilitatea.
Unul dintre primele standarde de-facto a fost cel publicat de
USL pentru versiunea SO UNIX System V Release 4 - System V
Interface Definition (SVID). Majoritatea variantelor comerciale
respectau standardul SVID. Evident, SVID fiind un document de firm,
publicat fr discuii publice nu putea fi adoptat ca i standard
oficial.
Paralel exista direcia BSD (Berkeley Standard Distribution),
susinut de comunitatea universitar. Dei majoritatea realizrilor
comerciale se bazau pe Sistem V, UNIX BSD era foarte popular n
universiti din care cauz a fost elaborat un standard, care a unit
practic AT&T cu BSD. Acest lucru a fost nceput de asociaia
programatorilor profesioniti din cadrul UniForum (Sistemele
Deschise) i continuat de grupurile de lucru POSIX (Portable
Operating System Interface). Cel mai popular standard, adoptat de
ISO la recomandarea IEEE, POSIX 1003.1 definete cerinele minime
pentru componentele unui sistem de operare.
Organizaia internaional X/Open, care activeaz n domeniul
elaborrii i propagrii ideilor sistemelor deschise, culege i
sistematizeaz standardele de-jure i de-facto de importan industrial
n aa numitul X/Open Common Application Environment (CAE).
Specificaiile interfeelor componentelor, care formeaz CAE, sunt
publicate n X/Open Portability Guide (XPG).
Pentru lumea UNIX este foarte important i standardul limbajului
de programare C, adoptat mai nti de ANSI i apoi de ISO. n acest
standard sunt specificate, n afara limbajului C, bibliotecile
obligatorii ntr-o realizare standard. Deoarece chiar de la apariie
limbajul C, sistemele de programare erau strns legate de UNIX,
componentele bibliotecilor standard corespundeau exact mediului
standard al SO UNIX.
Mai menionm standardul de-facto SPARC Complience Definition,
propus de organizaia SPARC International, propunerea organizaiei
88/Open pentru procesoarele RISC Motorola, standardul sistemului de
ferestre, susinut de X Consorium (Institutul de Tehnologie din
Massachussets) i OSF/Motif, elaborat de Open Software
Foundation.
1.3.3.3. Sisteme de operare cu micronucleu
Micronucleul este partea minim principal a unui sistem de
operare, folosit pentru asigurarea modularitii i transportabilitii.
Noiunea de micronucleu a fost introdus de compania Next prin
sistemul de operare cu micronucleul Mach. Nucleul acestui sistem de
operare, de dimensiuni mici, n jurul cruia se situau subsistemele
executate n regim user, trebuia s asigure o flexibilitate i
modularitate foarte nalt. Dar n realitate acestea au fost umbrite
de prezena serverului monolit, care realiza sistemul de operare
UNIX BSD 4.3, ales de compania Next n calitate de nivel superior
pentru micronucleul Mach. Totui, utilizarea micronucleului Mach a
permis introducerea administrrii mesajelor i a unei serii de funcii
de serviciu orientate pe obiecte, n baza crora a fost creat o
interfa grafic elegant a utilizatorului cu mijloace simple de
configurare, administrare i dezvoltare program.
Urmtorul SO cu micronucleu a fost MS Windows NT, n care momentul
principal declarat era, n afara modularitii, transportabilitatea.
Acest sistem de operare poate fi utilizat n sistemele mono- i
miltiprocesor, bazate pe procesoarele Intel, Mips, i Alpha. Mai
mult, deoarece NT trebuia s execute i programele scrise pentru DOS,
Windows, OS/2 i SO, compatibile cu standardele Posix, compania
Microsoft a folosit modularitatea abordrii micronucleare pentru
crearea unei structuri generalizate, care nu repet sistemele de
operare existente, fiecare SO fiind emulat printr-un modul separat
sau printr-un subsistem.
Au aderat la tehnologia micronuclear i companiile Novell/USL,
Open Software Foundation (OSF), IBM, Apple i altele. Unul din
concurenii principali ai lui NT n domeniul SO cu micronucleu sunt
Mach 3.0, creat n Universitatea Carnegy-Mellon, i Chorus 3.0 al
companiei Chorus Systems.
Un exemplu practicScopul exerciiilor de mai jos [7] este de a
pune n eviden influena evoluiei istorice a sistemelor de operare
asupra unor caracteristici ale acestora.
Vom considera un calculator periferia cruia este un dispozitiv
de introducere a cartelelor perforate (1 000 cartele pe minut) i o
imprimant (1 000 linii pe minut). O lucrare medie este definit
astfel:
citete 300 de cartele,
utilizeaz procesorul 1 minut,
tiprete 500 de linii.
Se presupune, c toate lucrrile au caracteristici identice cu ale
lucrrii medii.Definim dou caracteristici de performan a
sistemului:
debitul mediu D - numrul de lucrri executate ntr-o or,
randamentul unitii centrale - partea din timpul total de
utilizare a unitii centrale n care aceasta execut lucru util, altul
dect gestionarea perifericelor.
Exerciiul 1.Presupunem c periferia este gestionat de ctre
unitatea central. S se calculeze D i n urmtoarele ipoteze de
funcionare:
sistemul este exploatat n regim "poart deschis"; durata unei
sesiuni de exploatare este de 15 minute,
sistemul este exploatat utiliznd un monitor cu nlnuire secvenial
a lucrrilor.
Exerciiul 2.Presupunem c periferia este gestionat de un
calculator separat, care conine o band magnetic n care sunt
introduse datele la intrare i o band magnetic pentru ieire
(tiprirea se va efectua de pe aceast band). Datele la intrare sunt
introduse n calculatorul principal de pe banda magnetic, acesta
producnd datele la ieire pe band. Timpul necesar citirii de pe i
scrierii pe benzi nu se va lua n consideraie. Timpul de transfer a
benzilor de pe un calculator pe altul este de 5 minute n fiecare
sens; se presupune c o band va grupa un lot de 50 de lucrri (v.
fig. 1.13).
Presupunem c intensitatea sosirii lucrrilor este suficient
pentru a ocupa tot timpul calculatorului central. Calculai D i
.
Stabilii modul de planificare a seturilor de lucrri i calculai
timpul mediu de ateptare a unui utilizator (timpul din momentul
predrii lucrrii i pn la recepionarea rezultatelor). Vom admite, c
lucrrile sosesc ntr-un ritm regulat, c timpul necesar formrii unui
program (pregtirea unui complet de cartele perforate corespunztoare
unui program) este 10 minute i timpul distribuirii rezultatelor
unui lot (decuparea i trierea listelor utilizatorilor) la fel este
10 minute.
Exerciiul 3.Periferia este administrat de un canal de
intrare-ieire. Sistemul este monoprogram, iar monitorul de nlnuire
permite unitii centrale s prelucreze o lucrare paralel cu citirea
urmtoarei i tiprirea precedentei lucrri. Calculai n aceste condiii
D i . Aceeai ntrebare dac lucrarea medie presupune citirea a 1200
de cartele i imprimarea a 1500 linii ntr-un minut de utilizare a
unitii centrale.
Exerciiul 4.Operaiile de intrare-ieire sunt gestionate cu
ajutorul unei memorii-tampon (bufer) pe discul fix (spooling pentru
citire i imprimare). Lucrarea medie este cea definit n punctul
3.
Presupunem c o cartel conine 80 octei, iar o linie de imprimare
120. Care este capacitatea minim a memoriilor-tampon pentru citire
i imprimare necesare pentru ca unitatea central s fie folosit la
randamentul maxim? Care va fi n acest caz debitul lucrrilor?
Intensitatea sosirii lucrrilor i capacitatea memoriei-tampon
pentru citire sunt cele din a), iar memorie-tampon pentru tiprire
este de 2 Mo. Care este randamentul unitii centrale?Dispozitivele
fizice (controlere, magistrale, monitoare etc.)
Microarhitectura (regitrii UC, UAL)
Limbajul cod-main
Sistemul de operare
Utilitare, compilatoare, editoare, interpretoare
Aplicaii
Utilizatorii finali
Programatorii
Dezvoltatorii de SO
Hard disc
Imprimant
Modem
Monitor (ieire)
Port paralel
Port serial
Plac PC
Controler afiare
Plac PC
Controler HDD
Plac PC
Bus de extensie
Unitatea de control (UC)
Unitatea logico-aritmetic (ULA)
Procesorul central (UCP)
Memoria central
Controler de tastatur
Tastatur (Intrare)
Fig. 1.2. Structura unui calculator
Controler I/O
Memoria secundar
Imprimanta
Memoria principal
Display
Tastatura
Mouse
Procesorul
nregistrri
Semnale de comand
C
Reactor
Robinete
B
A
Captoare
Calculator
Semnale de msur
Fig. 1.4. Schema unui proces chimic
Procesul 1
Procesul 2
Procesul 3
Sistemul de operare
Ales (Exe)
Eligibil (Ready)
Blocat (Wait)
Procesului i s-a alocat procesorul
Procesul ateapt terminarea operaiei I/O
Operaia de I/O s-a terminat
Prezentare
Pstrare
Eligibil
Blocat
Ales
Terminare
Administrarea resurselor
Gestiunea informaiei
Administrarea procesoarelor
Administrarea memoriei
MO este accesibil?
Administrarea dispozitivelor
Toate dispozitivele sunt alocate?
Administrarea procesoarelor
Semnal
Administrarea dispozitivelor
Administrarea memoriei
Administrarea procesoarelor
Eliberarea dispozitivelor
Eliberarea memoriei
Eliberarea procesorului
Administrarea procesoarelor
Administrarea procesoarelor
Starea procesorului
Expirarea intervalului de timp
Cerere de citire informaii
Gestiunea informaiei
Iniiere I/O
Administrarea dispozitivelor
Creare proces I/O
Administrarea procesoarelor
Procesul 1
Procesul 2
Procesul 4
Procesul 3
Programele utilizatorului (procese)
Maina extins
Sistemul de operare
Maina goal
Fig. 1.8. Maina extins
Procesul 1
Procesul 2
Procesul 4
Procesul 3
Programele utilizatorului (procese)
Maina extins intern
Funcii cheie ale S.O.
Maina goal
Fig. 1.9. Ilustrarea conceptului de main ierarhic
Maina extins extern
Alte funcii ale S.O.
Componente ale S.O.
Sistemul de operare
Procesul A
Sistemul de operare
Procesul B
Procese de I/O care deservesc procesul 3 al utilizatorului
Fig. 1.10. Structura ierarhic a sistemului de operare
Planificator taskuri
Procesul 1
Nivelul 1
Administrare procesoare (P,V), planificare procese
Maina goal
Nivelul 3
Administrare procesoare (nivel superior, mesaje, creare i
distrugere procese)
Nivelul 2
Nivelul 4
Administrare dispozitive
Nivelul 5
Administrare informaie
Administrare memorie
Taskuri
Procesul 2
Procesul 3
I/O de sistem
Proces de I/O
Proces creat de utilizator
Stratul 1
Stratul 0
Stratul 2
Intrri
Lucrri la intrare
Debit mic
Debit mic
Debit nalt
Rezultate la ieire
Prelucrarea informaiilor
Ieire
Fig.1.11. Buferizarea intrrilor-ieirilor
Imprimare
Execuie
Citire
Citire
Canal
Memoria secundar
Canal
Imprimanta
Unitatea central
Fig. 1.12. Fluxul informaional ntr-un sistem cu
multiprogramare
Memoria operativ
ieiri
Procesare
Calculatorul pentru I/E
Calculatorul principal
intrri
Fig. 1.13. Exemplificarea cazului 2.
PAGE
p.10
