Ongelma(t): Jotta tietokone olisi mahdollisimman yleiskäyttöinen ja suorituskykyinen, niin miten tietokoneen resurssit tulisi tarjota ohjelmoijalle,

Transkriptio

1

2 Ongelma(t): Jotta tietokone olisi mahdollisimman yleiskäyttöinen ja suorituskykyinen, niin miten tietokoneen resurssit tulisi tarjota ohjelmoijalle, sovellusohjelmille ja käyttäjille? Lasse Lensu 2

3 Tietokoneella voi suorittaa algoritmeja, jotka on muunnettu tietokoneelle sopivaan esitystapaan ja jotka huomioivat tietokoneen laitteiston tarjoamat toiminnot. Tietokoneen muisteihin voi tallentaa algoritmeja ja tietoa, tietoa voi siirtää komponentista toiseen sekä tietokoneella voi laskea algoritmeja suorittaen Lasse Lensu 3

4 Tietojenkäsittelyn perusteet II Tietokoneen resurssien käyttö Lasse Lensu 4

5 Tietokoneen resurssien käyttö Lasse Lensu 5

6 Käyttöjärjestelmät Alaoutinen S Boberg J Brookshear J.G Ikonen L Tietokoneen ohjelmistot Tietokoneen resurssit Käyttöjärjestelmän tehtävät Tehtävien toteutuksia Lasse Lensu 6

7 Ohjelmistojen esimerkkijaottelu Ohjelmisto Varusohjelmat Tietoliikenneohjelmat Valmisohjelmat Sovellusohjelmat Käyttöjärjestelmät Apuohjelmat Käyttöliittymät Tekstintoimittimet Tietokantajärjestelmät Käyttäjien laatimat ohjelmat Lasse Lensu 7

8 Käyttöjärjestelmä Laitteistoa ja sovellusohjelmien suoritusta hallitseva ohjelmisto Erottaa ohjelmat niiden käyttämästä laitteistosta: Ohjelmistokerros Ohjaa ohjelmistoa ja laitteistoa halutun toiminnan aikaansaamiseksi ja suorituskyvyn takaamiseksi Lasse Lensu 8

9 Käyttöjärjestelmä Hallitsee tietokoneen resursseja: Laitteisto Suorittimet Muistit Syöttö/tulostuslaitteet Tiedonvälityslaitteet Ohjelmisto/muut sovellukset Lasse Lensu 9

10 Käyttöjärjestelmään liittyvät kerrokset Komentotulkki (shell) / käyttöliittymä: Käyttäjän yhteys käyttöjärjestelmään Graafinen tai merkkipohjainen Ydin (kernel): Käyttöjärjestelmän perustoiminnot sisältävä ohjelmisto (Laitteisto) Lasse Lensu 10

11 Käyttöjärjestelmän (ytimen) tehtävät Systeemikutsurajapinta Prosessinhallinta: Viestinvälitys Suorituksenhallinta (ajanjako) Muistinhallinta Syöttö- ja tulostietojen hallinta: Tiedostojärjestelmä Puskurointi (välimuisti) Laiteohjaimet, laitteiston hallinta Lasse Lensu 11

12 Käyttöjärjestelmän tehtäviä Resurssien varaaminen (resource allocation): Töille resursseja: muistia, siirräntälaitteita, prosessoria Vuoronvaihto (dispatching): Prosessoriresurssin varaaminen työlle, työn vaihto suoritusvuoroon Ajoitus (scheduling): Päätös siitä, mikä oheismuistissa oleva työ tulee seuraavaksi suoritusvuoroon Kriteerejä: kiireellisyysaste, resurssien saatavuus, resurssien tarve, odotusaika Resurssien suojaus (resource protection): Varmistus siitä, ettei työ pääse käsiksi resurssiin, jota se ei ole varannut Keskeytysten käsittely (interrupt handling) Tiedonsiirtopyyntöjen käsittely (input/output) Lasse Lensu 12

13 Prosessit Ohjelma = sarja käskyjä Prosessi = ohjelman suoritusympäristö Prosessin tila = suoritusympäristön hetkellinen tila: Suorituksessa/valmiina suoritukseen/odottaa (resurssia) Tietokoneessa on tyypillisesti käynnissä useita prosesseja yhtä aikaa (käyttöjärjestelmän tai käyttäjän käynnistämiä) Prosessoriaikaa ja muita resursseja pitää jakaa prosessien kesken: Toistuvasti, nopeilla vaihdoilla tulee samanaikaisuuden vaikutelma, vaikka vain yksi prosessi käsittelyssä kerrallaan Lasse Lensu 13

14 Vuoronvaihto Yksittäinen ohjelman suoritukseen liittyvä työ voi koostua useista prosesseista. Yksi prosessi kerrallaan suoritusvuorossa yhdessä suorittimessa suoritin jaettava prosessien kesken. Vuoronvaihtaja (engl. dispatcher) hoitaa prosessit suoritusvalmiiksi. Vuoronvaihto voi tapahtua keskeyttävästi tai eikeskeyttävästi Lasse Lensu 14

15 Prosessin tilat suorita prosessi prosessi saapuu keskeytä prosessi valmiina suoritettavaksi suoritettavana prosessi valmis toiminto valmis resurssipyyntö odotustilassa Lasse Lensu 15

16 Ajoitus ja resurssit Ajoittaja (engl. scheduler) päättää suoritusvuorosta Ajoituksessa huomioitava: Tarvittavat resurssit Vapaat resurssit Prosessiin liittyvän työn tärkeys (prioriteetti) Prosessin odotusaika suoritukseen Resurssien varaus staattisesti tai dynaamisesti: Staattinen: resurssit valmiiksi ennen käynnistystä Dynaaminen: varataan suorituksen aikana Dynaaminen resurssien varaus voi johtaa lukkiutumiseen (engl. deadlock): väh. 2 prosessia odottamassa resurssia, joka on varattuna toisella Lasse Lensu 16

17 Lukkiutuminen Lasse Lensu 17

18 Ajanjakoalgoritmeja FIFO (First-In-First-Out; syn. FCFS, First-Come- First-Served) LIFO (Last-In-First-Out) Round Robin SJF (Shortest Job First; syn. SPN, Shortest Process Next) SRT (Shortest Remaining Time) HRRN (Highest Response Ratio Next) Takaisinkytkentä Lasse Lensu 18

19 Muistinhallinta Käyttöjärjestelmän tehtävä Huomioitavia tekijöitä: Varaus prosessin muistitarpeiden mukaan Suojaus siten, että prosessilla on pääsy vain sille tarkoitettuun muistiin Hyväksikäyttö tehokkaasti siten, etteivät prosessit joudu odottelemaan turhaan Lasse Lensu 19

20 Muistinhallinta Sivu on pienehkö muistiyksikkö (usein 4 kilotavua), jota käyttöjärjestelmä käsittelee kokonaisuutena. Virtuaalimuisti on jatkettu muistialue: Toteutetaan siirtämällä muistisivuja päämuistin ja massamuistin välillä Ohjelmointikielen kääntäjän tuottamien suhteellisten osoitteiden muuttaminen todellisiksi osoitteiksi staattisesti (suorituksen alkaessa) tai dynaamisesti (suorituksen aikana) Lasse Lensu 20

21 Dynaaminen osoitteiden muunnos Alkuosoitteiden käyttö: Prosessin alkuosoite ja pituus muistissa Muistiosoite=alkuosoite+ohjelmaosoite Heittovaihto massamuistiin Pirstoutuminen Sivutus (engl. paging): Prosessi vakiokokoisina sivuina Muistiosoite=sivu+muistipaikka Sivutaulu Segmentointi (engl. segmentation) Yhdistetty segmentointi ja sivutus Lasse Lensu 21

22 Tiedostojärjestelmä Hakemisto, kansio: käyttäjän luoma ryhmä, nippu tiedostoja Polku: tiedoston sijainti hakemistohierarkiassa Tiedostokuvaaja: avoimen tiedoston käyttämiseen tarvittava tunnus, jonka käyttöjärjestelmä antaa sovellukselle Lasse Lensu 22

23 Käyttöjärjestelmältä toivottuja ominaisuuksia Suorituskyky Vakaus Skaalautuvuus Laajennettavuus Siirrettävyys Turvallisuus Tietosuoja Vuorovaikutteisuus Käytettävyys Lasse Lensu 23

24 Yhteenveto Tietokone koostuu suorittimesta, muisteista, tietoväylistä sekä syöttö- ja tulostusliitynnöistä. Käyttöjärjestelmä kuuluu tietokoneen varusohjelmistoihin. Käyttöjärjestelmä hallitsee tietokoneen laitteistoa ja resursseja: Suorittimet Muisti Syöttö- ja tulostuslaitteet Tiedonvälityslaitteet Sovellusohjelmat Lasse Lensu 24