مفاهیمی از سیستم عامل

مفاهیمی از سیستم عامل

اسلاید 1: به نام خدا موضوع: مفاهیمی از سیستم عامل گروه کامپیوتر استان مرکزی

اسلاید 2: تعريف سيستم عامل : در فرهنگ رایانه سیستم عامل (به انگلیسی: Operating System) نرم‌افزاری است که مدیریت منابع رایانه را به عهده گرفته و بستری را فراهم می‌سازد که نرم افزار کاربردی اجرا شده و از خدمات آن استفاده کنند.

اسلاید 3: وظایف سیستم عامل : سیستم عامل دو کار عمده انجام می‌دهد: 1 - نگرش پایین به بالا2 - نگرش بالا به پايين

اسلاید 4: به طور کلی، وظایف سیستم عامل: استفاده بهینه از منابع و جلوگیری از به هدر رفتن آنها تخصیص و آزاد سازی منابع اداره صف‌ها و زمان بندی استفاده از منابع حساب داری (Accounting) میزان استفاده از منابع ایجاد امنیت (security) ایجاد، حذف و اداره فرایند‌ها ایجاد مکانیسم‌های ارتباط بین فرایند‌ها و همگام سازی آنها

اسلاید 5: ادامه :مدیریت فایل‌ها و پوشه‌ها مدیریت حافظه‌های اصلی و جانبی برقراری امکان دسترسی چندتایی (Multiaccess) و اجرای هم روند (Concurrent) فرایند‌ها به اشتراک گذاری منابع (Resource Sharing) تعیین راهکار‌هایی برای اداره بن بست (deadlock)‌ها جلوگیری از شرایط رقابتی (Race Condition) و تداخل یا در هم قفل شدن (Interlock) فرایند‌ها جلوگیری از گرسنگی (Starvation)

اسلاید 6: امروزه پرکاربردترین سیستم عامل جهان، ویندوز است که بر روی بیشتر رایانه‌های شخصی نصب شده‌است.

اسلاید 7: چند سیستم عامل معروف جهان :یونیکس لینوکس سولاریس (سیستم عامل) بی اس دی داس (سیستم عامل) مک اواس ده ام وی اس ویلز (سیستم عامل)

اسلاید 8: ادامه : ویندوز اکس‌پی ویندوز ویستا ویندوز ان‌تی ویندوز سی‌ئی آی‌فون اواس پالم (سیستم عامل) سیمبیان (سیستم عامل) گوگل اندروید

اسلاید 9: انواع سیستم عامل های شبكه : سیستم های توزیع شده سیستم های چند وظیفه ای سیستم های چند پردازنده ای سیستم های بلادرنگ

اسلاید 10: سیستم های توزیع شده :سیستم عامل توزیع شده در یک محیط شبکه ای اجراء می‌شود. در این سیستم قسمتهای مختلف برنامه کاربر بدون آنکه خود او متوجه شود می‌توانند همزمان در چند کامپیوتر مجزا اجراء شده و سپس نتایج نهایی به کامپیوتر اصلی کاربر بر گردند.

اسلاید 11: مزايا : سرعت بالاي اجراي برنامه هاامكان قراردادن بانكهاي اطلاعاتي حجيمافزايش امنيتمعايب :1. خرابي يك كامپيوتركل عمل سيستم رامختل مي كند.2. قابليت اعتماد كم .

اسلاید 12: نكته 1 : به سیستم های توزیع شده گاهی اوقات سیستمهای Loosely Coupled یا ارتباط ضعیف نیز می‌گویند,چرا که هر پردازنده کلاک و حافظه مستقلی دارد . نكته 2 : پردازنده‌ها از طریق خطوط مخابراتی مختلفی مثل گذرگاه‌های سریع یا خطوط تلفن ارتباط دارند. __________________

اسلاید 13: سیستم های چند وظیفه ای :در تکنیک چند نخی (multitasking) یک فرایند (process) که برنامه‌ای در حال اجراست , می‌تواند به بخشها یا نخهایی (بندهایی ) تقسیم شود که می‌توانند به صورت همزمان اجراء شوند . برنامه‌هایی که چند وظیفه مستقل از هم را انجام می‌دهند می‌توانند به صورت چند نخی نوشته شوند. گاهی اوقات به سیستمهای multithreading سیستمهای چند تکلیفی یا چند وظیفه ای (multitasking) هم گفته می شود.

اسلاید 14: کلیه اطلاعات مربوط به هر پروسس , در یکی از جداول سیستم عامل به نام جداول Process Control Block=PCBذخیره مي شود : اطلاعات موجود درPCBعبارتند از: - حالت جاری پردازش - شماره شناسایی پردازش - اولویت پردازش - نشانی حافظه پردازش - نشانی محل برنامه پردازش بر روی دیسک - نشانی سایر منابع پردازش - محلی برای حفظ ثباتها

اسلاید 15: سیستم های چند پردازنده ای :کامپیوترها می‌توانند به جای یک CPU چندین CPU داشته باشند که در اینصورت به آنها سیستم Multiprocessing میگویند.جهت استفاده از این سیستمها نیاز به یک سیستم عامل خاص می‌باشد که بتواند چندین برنامه (یانخهای یک فرایند ) را به صورت موازی واقعی روی آنها اجراء کند.

اسلاید 16: مزايا :- زیاد شدن توان عملیاتی (throughput) - صرفه جویی در هزینه‌ها تحمل پذیری در برابر خطا(fault-tolerant)

اسلاید 17: تقسیم بندی سیستم عامل های چند پردازنده‌ای :سیستم عامل سیستم چند پردازنده‌ای نامتقارن سیستم عامل سیستم چند پردازنده‌ای متقارن

اسلاید 18: سیستم متقارن از چند جنبه نسبت به نوع نامتقارن برتری دارد: اگر یک پردازنده از کار بیفتد سیستم عامل می‌تواند روی پردازنده‌های دیگر اجراء شود.سیستم عامل قابل حمل ( portable) بر روی سیستم های سخت افزاری مختلف است.باعث متعادل شدن (balancing) بار سیستم می‌شود. نكته : به سیستمهای چند پردازنده‌ای ,سیستمهای Tightly Coupled یا ارتباط محکم نیز گفته می‌شود چرا که پردازنده‌ها کلاک (Clock) ، گذرگاه و همچنین حافظه مشترکی دارند

اسلاید 19: سیستم های بلادرنگ :”به سيتمي بلادرنگ گفته مي شود كه صحت درستي يك فرايند تنها وابسته به صحت منطقي نباشد، بلكه به زماني كه در آن اجرا مي شود نيز وابسته باشد .“ ويژگيهاي سيستم هاي بلادرنگ :سیستمهای بی درنگ معمولاً به عنوان یک کنترل کننده در یک کاربرد خاص استفاده می‌شوند.

اسلاید 20: ويژگيهاي سيستم هاي بلادرنگ :در در سیستمهای بی درنگ زمان پاسخ باید سریع و تضمین شده باشد. سیستمهای بی درنگ معمولاً وسایل ذخیره سازی ثانویه وجود ندارد و به جای آن از حافظه ‌های ROM استفاده می‌شود.سیستم عاملهای پیشرفته نیز در این سیستمها وجود ندارند چرا که سیستم عامل کاربر را از سخت افزار جدا می‌کند و این جدا سازی باعث عدم قطعیت در زمان پاسخگویی می‌شود.سیستمهای بی درنگ با سیستمهای اشتراک زمانی تناقض دارند

اسلاید 21: كاربردهاي سيستمهاي بلادرنگ :سيستم كنترل ديجيتال(digital control system)سيستم فرمان و كنترل(command and control system)پردازش سيگنال (signal processing)سيستم ارتباطات راه دور(telecommunication system)از كاربردهاي جديد سيستمهاي بلادرنگ مي توان به شبكه ها اشاره كرد، در اذامه خواهيم ديد :

اسلاید 22: شبكه بلادرنگ :افزايش تعداد كاربر دهاي توزيعي بلادرنگ در فراهم كردن سرويسهاي ارتباطي قابل پيش بيني، منفعت زيادي داشته است. با توجه به طراحي شبكه هاي بي سيم امكان مكان يابي در نواحي حادثه ديده را مي دهد.

اسلاید 23: مثال هايي از شبكه هاي بلادرنگ :در هنگام رانندگي ،اين سيستمها كنترل موتور و ترمز و همچنين كنترل چراغهاي راهنمايي رانندگي منظم را بعهده دارند.در هنگام پرواز، اين سيستمها كنترل برنامه هواپيما و آگاهي از زمان فرود و بلند شدن هواپيما ، نگهداري مسير پرواز را به عهده دارد.در هنگام سرماخوردگي، اين سيستمها كنترل آگاهي و تنظيم وضعيت فشار خون و ضربان قلب را بعهده دارد.در هنگام سلامت كامل، اين سيستمها ما را به وسيله بازيهاي الكتريكي و سواريهاي مفرح سرگرم ميكنند

اسلاید 24: سيستم هاي بلادرنگ سخت :يك رد ه بندي كلاسيك، سيستم هاي سخت يا فوري است؛ اتمام يك فرايند بعد از محدوديت زماني مضر است كه باعث ايجاد خطا در منطقه بحراني ميشود.سيستمهاي بلادرنگ سخت در سطح پاييني از سخت افزار فيزيكي عمل ميكند. مثالها :سيتم كنترل موتور ماشين سيستم هاي جاسازي شده در دستگا ههاي پزشكي مثل دستگاه تنظيم كننده ضربان قلب پردازشگرهاي كنترل صنعتي.

اسلاید 25: سيستم هاي بلادرنگ نرم :در سیستمهای «بی درنگ نرم» یک وظیفه بی درنگ بحرانی, نسبت به سایر وظایف اولویت دارد و تا پایان تکمیل شدنش این ارجحیت را دارا خواهد بود. از آنجا که این سیستمها مهلت زمانی (deadline) را پشتیبانی نمی کنند استفاده از آنها در کنترل صنعتی ریسک آور است . هر چند که این سیستمهای بی درنگ نرم می‌بایست پاسخی سریع داشته باشند ولی مساله پاسخ دهی به حادی سیستمهای بی درنگ سخت نمی‌باشد .

اسلاید 26: کاربردهای سیستم بی درنگ نرم :رزرواسیون شرکتهای هواپیماییچند رسانه‌ای (multimedia) واقعیت مجازی (Virtual reality) این سیستمها به ویژگی‌های سیستم عاملهای پیشرفته (که توسط بیدرنگ سخت حمایت نمی‌شوند)نیازمندند . بعضی از نسخه‌های UNIX مانند solaris 2 خاصیت بیدرنگ نرم را دارا می‌باشند. .

اسلاید 27: مدلهاي وظيفه درسيستمهاي بلادرنگ: وظيفه هاي بلادرنگ دوره اي : در حالت عمومي يك وظيفه بلادرنگ نيازمند مقدار مشخصي منابع در طول يك دوره ي زماني خاص است. وظيفه دورهاي وظيفه اي است كه منابع را در واحد زمان تقاضا ميكند و با تابع دورهاي (تناوبي) نمايش داده ميشود. يعني الگوهاي قطعي و مستمروقفه هاي زماني بين درخواستهاي منابع دارد. علاوه بر اين نيازمندي يك وظيفهاي بلادرنگ بايد پردازش را توسط مهلت زماني خاص وابسته به زمان كامل كند يعني پيدا كردن پردازشگر (يا يك منبع ديگر)

اسلاید 28: ادامه: وظيفه هاي بلادرنگ نامنظم : يك وظيفه بلادرنگ نامنظم شامل فعالي تهاي بلادرنگ است. اين فعالي تهاي بلادرنگ منابع را در دوره هاي غيرقطعي درخواست م يكنند. ممكن است هيچ مرزي وجود نداشته باشد .

اسلاید 29: زمانبندي در سيستمهاي بلادرنگ :يكي از بزرگترين مسئوليتهاي سيستمهاي بلادرنگ زمانبندي وظيفه ها با توجه به مهلت زماني آنهاست با توجه به ضمانت كردن اينكه فعاليتهاي بلادرنگ به مرحله سرويس مورد نظر دست يافته اند. الگوريتمهاي زمانبندي فراواني براي انواع مختلف وظيفه ها وجود دارد .يكي از پارامترهاي مهمي كه در كارايي يك الگوريتم زمانبندي خصوصا بلادرنگ تاثير گذار است، ميزان سرباري است كه اين الگوريتم بر سيستم تحميل مي كند .

اسلاید 30: روشهای زمانبندی بلادرنگ : روشهای زمانبندی بلادرنگ به دو دسته کلی پویا و ایستا تقسیم می‌شوند. در حالت ایستا قبل از شروع سیستم , تصمیمات زمانبندی گرفته می‌شود ولی در حالت پویا تصمیمات زمانبندی در زمان اجرای سیستم انجام می‌پذیرد .

اسلاید 31: سه روش زمانبندی بلا درنگ پویا :الگوریتم نرخ یکنواخت (Rate monotonic) الگوریتم ابتدا زودترین مهلت (Earliest deadline first) الگوریتم کمترین سستی (least laxity (

اسلاید 32: سيستم عامل هاي بي درنگ :سيستم هاي چند منظوره هستند كه براي كاربردهاي بلادرنگ از جمله سيستم هاي جاسازي شده ( سيستم تنظيم حرارت قابل برنامه ريزي ، كنترل اسباب بازيهاي خانگي ، تلفن هاي موبايل ) ، روبات هاي صنعتي ، سفينه هاي فضايي ، وسايل تحقيقات علمي ، طراحي شده اند . نمونه هاي اوليه وبزرگ اين نوع سيستم عامل ها كه اصطلاحا ” برنامه هاي كنترلي ” ناميده مي شوند ، براي سيستم خطوط هوايي sabre توسط IBM وخطوط هوايي امريكا طراحي و توسعه يافت.

اسلاید 33: فلسفه طراحي اين نوع سيستم عاملها : دو نوع طراحي پايه در اين زمينه وجود دارد : 1- طراحي بر اساس اولويت . 2- طراحي اشتراك زماني .

اسلاید 34: مشخصات سيستم عامل هاي بلادرنگ:قطعي بودنپاسخ دهي كنترل كاربرقابليت اطميناننرمش با خطا

اسلاید 35: زمان بندي : در طراحي هاي معمول ، وظيفه داراي سه حالت زير است : در حال اجرا حاضر و آماده Block شده

اسلاید 36: ارتباطات بين وظيفه وتسهيم منابع :معمولا دو وظيفه اگر به داده هاي خاص مشابه يا منابع سخت افزاري به طور همزمان دسترسي داشته باشند ، ” حالت ناامن ” ( نتايج متناقض يا غير قابل پيش بينب ) پيش مي آيد .سه روش مرسوم براي حل اين مشكل وجود دارد : 1- Temporarily masking/disabling interrup 2- Binary semaphores 3- Message passing

اسلاید 37: سرويس دهنده وقفه ها وزمانبندي آنها:سرويس دهنده وقفه با بلاك كردن مانع اجراي وظيفه ها با اولويت بيشتر مي شود ، پس براي به حداقل رساندن تاخير نخ ها در سيستم عامل بي درنگ ، بايد وقفه ها را كشف واز وقوع آنها جلوگيري كرد .

اسلاید 38: تخصيص حافظه : سرعت تخصيص مهم است . يك حافظه تخصيص يافته استاندارد ليست پيوندي با طول متغير را پويش مي كند .حافظه مي تواند قطعه قطعه شود .

اسلاید 39: چگونگي انتخاب يك سيستم عامل بلادرنگ :قطعي باشد .عهده دار بدترين حالت تاخير وقفه باشد .عهده دار بدترين حالت رمان تعويض متن باشد .

اسلاید 40: انتخاب پردازش : فعال سازي پردازشگر ، عملكرد بلادرنگ و درخواست مربوط به بودجه معيارهايي هستند كه تغيير نمي كنند ، بنابراين زمينه انتخاب محدودتر مي شود .اكثر افراد ملاك انتخاب خود را بر پايهdebugger ،cross-compiler و ديگر ابزارآلات توسعه يافته مي گذارند .بهترين دليل براي انتخاب سيستم عامل هاي تجاري مزيت استفاده از جيزي است كه بهتر محك زده شده .

اسلاید 41: ليست RTOS :AMX ( KADAK ) RTX (CMX Systems ) eCos (Red Hat ) RTOS-32 ( On Time Software ) (RTXC) Quadros (OAR) RTEMS (Mentor Graphics ) VRTX و ....