operating systems notes, Lecture notes of Operating Systems

Download operating systems notes and more Lecture notes Operating Systems in PDF only on Docsity!

T.C.

FIRAT ÜNİVERSİTESİ

TEKNİK EĞİTİM FAKÜLTESİ

ELEKTRONİK VE BİLGİSAYAR BÖLÜMÜ

BİL391 İŞLETİM SİSTEMLERİ

(Ders Notları)

İbrahim TÜRKOĞLU

ELAZIĞ- 2006

İÇİNDEKİLER

1. Bilgisayar Sistemlerinin Yapısı
2. İşletim Sistemlerine Bakış
3. İşletim Sistemlerinin Bileşenleri
4. İşletim Sistemlerinin Yapısı ve Sunduğu Hizmetler
5. Görev Yönetimi
6. Bellek Yönetimi
7. Kütük Sistemleri
8. Giriş/Çıkış İşlemleri
9. Dağıtılmış İşletim Sistemleri
10. Güvenlik ve Koruma

1.2. Bilgisayar Sisteminin Üst Seviye Bileşenleri

A. İşlemci (CPU) kayıtçıları ™ Kullanıcıya görünen kayıtçılar: ¾ Bunlar ile programcı, kayıtçı kullanımını en iyi şekilde organize ederek ana hafıza kullanımı minimize eder. ¾ Makine dili (asembly) tarafından kullanılabilir. ¾ Tüm programlar (uygulama programları, sistem programları) ile kullanılabilirler. ¾ Kayıtçı türleri : Veri ve adres kayıtçıları

• Veri Kayıtçısı : Verileri üzerinde tutar.
• Adres Kayıtçıları: Adresleri üzerinde tutar.
  • İndisli :Bir adrese ulaşmak için taban bir değere bir indis eklemede kullanılır.
  • Segment pointer (Segment göstericisi): Hafıza segmentlere bölündüğü zaman, hafızaya bir segment ve ofset değeri ile ulaşılabilmesini sağlar.
  • Stack pointer (Yığın göstericisi) : Yığının en üstüne işaret eder.

™ Kontrol ve durum kayıtçıları : İşletim sistemi aracılığı ile işlemci tarafından kullanılarak, programların düzenli olarak çalışmasını sağlamak için işlemciyi kontrollü bir şekilde çalıştırır. Bunlar:

• Program Sayacı (Pogram Counter, PC): Çalıştırılacak olan bir komutun adresini içerir.
• Komut Kayıtçısı (Instruction Register, IR) : Çalıştırılacak komutu içerir.
• Program durum sözcüğü (status word, PSW): Şartlı işlemleri, kesme kullanımı ve yönetim/kullanıcı modunu kontrol eder. Şöyleki; yapılan işlemlerin sonucunda işlemci donanımı tarafından PSW bitler kurulur. Bu bitlere, bir program tarafından erişilebilir fakat değiştirilemezler. Örnek: pozitif, negatif, sıfır ve taşma sonuçları gibi

Şekil. Üst seviye bileşenler

B. Komut alma ve yürütme stratejisi 1.İşlemci, PC nin gösterdiği hafıza adresinden çalıştırılacak olan komutu alır. 2.Sonrasında PC bir sonraki alınacak olan komutun adresini tutmak üzere içeriğini artırır.

Şekil. Bir komut saykılı

• İşlemci G/Ç modülünü hafızaya yazma veya hafızadan okuma ile yetkilendirir.
• Değişim esnasında işlemci sorumluluğu devreder.
• Bu değişim esnasında, işlemci diğer işleri yapabilir.

F. Kesmeler İşlemcinin, normal yürütüm sırasını değiştirmek ve gereksinim duyulan başka bir işi varsa onu yerine getirmek için kesme programları kullanılır. Kesme sürecinde kontrolü kesme programı devralır. Kesmeler işletim sistemlerinin genel bir parçasıdırlar. Kesmeler:

• İşlemcinin etkinliğini artırır.
• Bir G/Ç işlemi yapılırken, işlemcinin diğer komutları yürütmesine olanak verir.
• Bir sürecin geçici olarak durdurulmasına (sonradan çalıştırılmak üzere) sebep olurlar.

Kesme türleri:

• Program
  • Aritmetik taşma
  • Sıfıra bölme
  • İllegal komut yürütme
  • Kullanıcının hafıza alanının dışına çıkması
• Zamanlayıcı (Timer)
• G/Ç
• Donanım hatası

Kesme saykılının yürütümü:

• İşlemci, kesmeleri kontrol eder.
• Eğer kesme yoksa, mevcut program içinde işlemci bir sonraki komut alır.
• Eğer kesme varsa, mevcut çalışan program olduğu yerde bırakılır (çalışmasını bitirmeyi beklemeksizin) ve kesme programı idareyi ele alır.

Şekil. Kesmeli bir komut saykılı

Kesme ve kesmesiz programların yürütüm akışları:

G. Çoklu Kesmeler Bir kesme süreci başlamışken, gelebilecek diğer kesmeler kabul edilmez. İşlemci yeni gelebilecek herhangi bir kesme isteğini dikkate almaz. Kesme devre dışı kaldığında, işlemci kaldığı yerden görevini tamamlayabilir. İşlemci kesmelere izin verinceye kadar kesmeler devreye girmezler. Kesme kullanıcısının programı rutini tamamlandıktan sonra, işlemci ilave kesmeleri kontrol eder.

• Bit başına maliyet düşer.
• Kapasite artar.
• Zaman erişimi artar.
• Mikroişlemci tarafından hafızaya erişim sıklığı düşer.
  • Yerellikten söz edilebilir.

J. Ön-bellek (Cache) Geçici olarak bilgilerin tutulmasına yönelik kullanılan ana hafızanın bir kısmıdır. Diskteki sık kullanılan kümelerin tutar. Veriye disk ten yavaş ulaşmak yerine yazılım ön belleğinden daha hızlı ulaşılabilir. Özellikleri:

• İşletim sistemine görünmez
• İşlemci hızı hafıza hızından çok daha fazladır. Önbellek kullanımı ile hafıza kullanım hızı artar.
• İşlemci ilk önce ön belleği kontrol eder; gerek duyulan bilginin hafıza bloğu ön- bellekte yoksa, ön-belleğe taşınır.
• Önbellek kapasite büyüklüğü, performans üzerinde önemli bir etkiye sahiptirler. Daha geniş blok büyüklüğü, aranılan yeni bilginin ön-bellekte bulunma ihtimalini artırır.

(a)

(b) Şekil. Ön bellek kullanımı

1.3. Bilgisayar Sistemlerinde Ağ Yapısı

• Yerel alan ağları (LAN)
• Geniş alan ağları (WAN)

2. İŞLETİM SİSTEMLERİNE BAKIŞ

İşletim sistemi kullanıcıyla bilgisayar donanımı arasında iletişim sağlayan programdır. Programın amacı kullanıcı programlarını çalıştırmak için kullanıcıya ortam oluşturmaktır. İşletim sistemi bilgisayarı, yazılım ve donanımlarını kullanmak için elverişli duruma getirir ve donanımı etkili kullanır. Buna göre işletim sistemlerinin başlıca amaçları:

1. Kullanıcı programlarını çalıştırılması
2. Kullanıcı problemlerinin çözümünün kolaylaştırılması
3. Bilgisayar sisteminin kullanımını daha elverişli hale getirilmesi
4. Bilgisayar kaynaklarının verimli bir şekilde kullanılması (Çok kullanıcılı sistemlerde önem kazanır)

¾ İşletim sistemi, donanımla yazılım arasında bir yönetici arayüzü olarak görev yapar. Her bir donanım birimi, tüm kaynakları erişip yönetebilmektedir.

¾ Çalışma sırasında oluşan hataların ve çakışmaların önlenmesi işletim sisteminin görevidir.

¾ İşletim sistemleri bilgisayar kullanıcısı ile donanım arasında çalışan bir yazılımdır. Amacı kullanıcının programlarını çalıştırabilmesi için ortam sağlamaktır.

Şekil: İşletim sisteminin konumu

¾ İşletim sistemi faklı kullanıcıların uygulama programlarının donanım kaynaklarını kullanımını kontrol eder ve koordine eder.

¾ Bilgisayar kaynaklarının dağıtımı için şu problemlerin çözümü gerektirir:

• Ana işlem biriminin zamana göre paylaşımı
• Disk alanının yönetilmesi
• Giriş/Çıkış aygıtlarının yönetimi ¾ İşletim Sistemi Tarafından Sağlanan Hizmetler:
• Program geliştirme
• Editörler ve Debuggerlar
• Program yürütme
• G/Ç sürücülerine erişim
• Dosyalara erişimi kontrol etme
• Hata denetimi ve cevaplama o Dahili ve harici donanım hataları
• Hafıza hataları
• Sürücü arızaları o Yazılım hataları
• Aritmetik taşma
• Yasaklanmış hafıza bölgelerine erişim o İşletim sisteminin, uygulama isteklerini yerine getirememesi
• Muhasebe (hesaplama) o İstatistik toplama o Kullanıcı hesaplarını sağlama ¾ İşletim sistemleri, sıradan bilgisayar yazılımları gibi aynı tarz fonksiyonlara sahiptirler. Örn: Programları yürütür.

2.1. İşletim Sistemlerinin Sınıflandırılması ¾ Büyük Bilgisayarlar için Sistemler ƒ Basit toplu işlem sistemleri ƒ Benzer işlerin toplu işlenmesi sonucu işlem zamanının kısalması ƒ Otomatik iş ardışıklığı: bir işten diğerine otomatik geçmek (İlk basit işletim sistemidir). ƒ Kalıcı monitör

ƒ Zayıf birleştirilmiş sistem – her işlemcinin kendi yerel belleği bulunur; işlemciler birbirleriyle yüksek hızlı ana iletişim yolları üzerinden veya telefon hatları gibi çeşitli iletişim hatlarıyla iletişim kurarlar. ƒ Dağıtık sistemlerin üstünlükleri: o Kaynakların ortaklaşa kullanımı o İşlem hızının yükselmesi - yükün paylaşımı o Güvenilirlik o İletişim ƒ Ağ yapısı gerektirmektedir: Yerel alan ağları veya Geniş alan ağları ƒ Ağ için, ya istemci-sunucu, yada eşit bağlantı (peer-to-peer) modeli kullanılabilir.

Şekil: İstemci-Sunucu Modelinin Genel Yapısı

¾ Kümeleşmiş Sistemler ƒ Kümeleşme, bellek alanını ortak kullanmaya izin veriyor. ƒ Yüksek güvenilirliği sağlıyor. ƒ Asimetrik kümeleşme : bir sunucu uygulamayı çalıştırdığı zaman, diğer sunucular yedek kalıyor. ƒ Simetrik kümeleşme : tüm ana makineler uygulamayı çalıştırıyor. ¾ Gerçek Zaman Sistemler ƒ Bilimsel denemelerde, fabrikalarda üretimin otomatik denetiminde, tıbbi görüntü sitemleri gibi uygulamalarda kontrol amacı ile sıkça kullanılmaktadır. ƒ Önemli özelliği, iyi tanımlanmış belirli zaman kısıtlamalarının bulunmasıdır. ƒ Gerçek zaman sistemleri ya sert (hard), yada hafif (soft) gerçek zamanlı olabilir: ƒ Sert gerçek zaman sistemleri: o İkinci bellek sınırlıdır veya yoktur, veriler kısa süreli bellekte, veya sabit bellekte saklanır. o Zaman paylaşımlı çalışmalar genel amaçlı işletim sistemleri tarafından desteklenmiyor.

ƒ Hafif gerçek zaman sistemleri: o Sanayi robotlarının denetiminde sınırlı kullanılmaktadır. o Gelişmiş işletim sistemlerinin özelliklerini gerektiren uygulamalarda yararlıdır. ¾ “El” Sistemleri ƒ Kişisel rakamlı yardımcılar (Personal Digital Assistant (PDA)) ƒ Hücresel telefonlar (Cellular telephones) ƒ Özellikleri: o Sınırlı bellek o Düşük hızlı işlemciler o Küçük ekran. ¾ İşlem Ortamları ƒ Web tabanlı işlemler ƒ Gömülmüş işlemler

2.2. İşletim Sisteminin Gelişimi

İşletim sistemlerinin gelişim süreci aşağıdaki aşamalardan geçmiştir:

• Basit toplu işletim sistemleri
• Zaman paylaşım tabanlı çoklu programlama
• Kişisel bilgisayarların işletim sistemleri
• Paralel sistemler
• Dağıtık sistemler (Paylaşılmış sistemler)
• Gerçek zaman sistemleri

2.2.1. Basit toplu işletim sistemleri (Batch Systems) İlk bilgisayarların genelde işletim sistemleri yoktu. İşletim sistemleri bilgisayarların donanımları geliştikten sonra ortaya çıkmaya başlamıştır. Bu tür sistemlerde işlemcinin zamanının büyük kısmı giriş çıkış işlemlerini beklemekle geçer. Çünkü, G/Ç aygıtlarının hızı işlemcinin hızından düşük olduğu için işlemci bu aygıtları beklemek zorundadır. Bunu önlemek için Spooling tekniği (Ana işlem birimini giriş çıkış biriminden ayırma işlemi) kullanılır. Böylece CPU gelen girişi ya doğrudan, yada işleyip çıkışa aktarır.

Şekil: Yapılacak işler (operation system = monitor)

Şekil: Belleğin işler arasında paylaşımı; işletim sistemi belleği birkaç iş arasında paylaştırabilmektedir.

2.2.3.Kişisel bilgisayarların işletim sistemleri

En önemli özelliği kullanıcı kolaylığını sağlamasıdır. Çoklu ortamda çalışması ve güvenilir olması önemlidir. Tek kullanıcılı sistem olduğu için kaynakların paylaşımı mekanizmasına gerek yoktur.

2.2.4.Paralel işletim sistemleri

Paralel sistemlerde birden fazla işlemci olur. Bu işlemciler bazı kaynakları (ana veri yolu, saat (cp), bazen de ana belleği, G/Ç kaynakları) ortak kullanırlar. Böyle sistemlere güçlü bağlı sistem denir.

Çok işlemcili sistemlerin oluşturulma nedeni işlem hızının ve güvenirliğinin arttırılmasıdır. İşlemci sayısı arttıkça işlem hızı artar ancak bir noktada sabitlenir.

İş. hızı doyma noktası . . . .

. İş. sayısı

2.2.5.Dağıtık sistemler

Bu sistemlere ağ sistemler de denir. Burada herbir bilgisayar sisteminin kendi kaynakları, işlemcisi, I/O aygıtları ve fonksiyonları bulunur. Bunlara zayıf bağlı sistemler denir. Ağ ortamında çalışan bilgisayarlardan oluşur. Bilgisayarlar arasında iletişim, ağ ortamı ile gerçekleşir. Bu sistemlerin oluşturulma nedenleri;

• Kaynakların paylaşımı
• Işlem hızının yükseltilmesi
• Güvenilirlik
• Yeni iletişim olanaklarının sağlanması

CPU 1 CPU 2

Disk I/O Mem