PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní1
Struktura a rozhraní OS
PB153
Operační systémy a jejich
rozhraní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní2
Komponenty OS
 Správa procesů
 Správa operační paměti
 Správa souborů
 Správa I/O zařízení
 Správa sekundárních pamětí
 Správa síťových služeb
 Ochranný systém
 Interpret příkazů (shell)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní3
Struktura OS
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní4
Správa procesů
 Proces (aktivní entita) je spuštěný program (pasivní
entita)
 jeden program může být zároveň spuštěn řadou
uživatelů
 proces je jednotkou práce systému
• procesy jádra OS
• uživatelské procesy
 Proces pro svou činnost potřebuje zdroje
 procesor, paměť, soubory
 zdroje se alokují při spuštění nebo při běhu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní5
Správa procesů (2)
 Typické aktivity OS v oblasti správy procesů
 vytváření a ukončování uživatelských a
systémových procesů
 potlačování (suspending) a obnovování
(resuming) procesů
 mechanismy pro synchronizaci procesů
 mechanismy pro komunikaci mezi procesy
 mechanismy pro detekci a řešení uváznutí
(deadlock)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní6
Správa operační paměti
 Při spuštění procesu musíme program nahrát
do paměti
 Později může proces vyžadovat dodatečnou
paměť pro data a tuto paměť OS vracet
 Jakmile proces končí, musí OS veškerou
paměť užívanou procesem opět uvolnit
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní7
Správa operační paměti
 Typické aktivity OS v oblasti správy paměti
 znalost, která část paměti je využívána a kým
(kterým procesem)
 přidělování (alokace) a uvolňování
(dealokace) paměti podle požadavků procesů
 rozhodování o tom, který proces kdy zavést
do paměti
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní8
Správa souborů
 Soubor
 kolekce souvisejících informací definovaná svým
tvůrcem
 může mít strukturu, ale nemusí
 z hlediska OS typicky jen posloupnost bajtů
 I/O zařízení na kterých jsou soubory uloženy mohou
být nejrůznějšího typu
 magnetické disky, optické disky, magnetické pásky
 OS zavádí abstraktní koncept souboru
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní9
Správa souborů (2)
 Typické aktivity OS v oblasti správy souborů
 vytváření a rušení souborů
 vytváření a rušení adresářů (složek)
 základní operace pro manipulaci se soubory a
adresáři (např. čtení ze souboru, zápis do
souboru, seznam souborů v adresáři)
 zálohování
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní10
Správa I/O zařízení
 Snaha o skrytí specifik jednotlivých I/O
zařízení
 co nejjednotnější přístup k jednotlivých I/O
zařízením
 mnoho OS zpřístupňuje I/O zařízení přes
speciální soubory
• /dev/sda, /dev/lp0 v UNIXu
• \\.\PHYSICALDRIVE2, CONIN$ ve Win32
 Ovladače jednotlivých HW komponent
 Řízení bufferů, kešování, spooling
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní11
Správa sekundární paměti
 Typické sekundární paměti jsou disky
 Správa sekundárních pamětí obvykle formou
souborů – souborového systému
 Typické aktivity OS
 správa volného místa
 přidělování místa
 plánování činnosti disku (které požadavky kdy
vyřídit)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní12
Správa síťových služeb
 Komunikace je řízena protokolem
 protokol je několikastranný algoritmus pro
dosažení určitého cíle
 Snaha o transparentnost
 síťové souborové systémy (SMB, NFS, …)
 API podobné jako přístup k souborům
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní13
Ochranný systém
 V multitaskingovém a multiuživatelském OS musíme
jednotlivé procesy navzájem chránit
 Ochrana je mechanismus, který řídí přístup
programů, procesů a uživatelů ke zdrojům
počítačového systému
 HW za pomocí OS zajišťuje, že proces může
používat pouze adresy svého adresového prostoru
 časovač brání jednomu procesu v získání plného
přístupu k CPU
 režim CPU brání uživatelským procesům spouštět
privilegované instrukce
 Ochranný mechanismus rozlišuje autorizované a
neautorizované použití prostředků
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní14
Interpret příkazů
 Interpret příkazů, neboli command-line interpreter
(command line interface - CLI), neboli shell
 úkolem je získávat příkazy od uživatele a provádět je
 Za tento interpret příkazů můžeme považovat i
moderní GUI
 Někdy je interpret příkazů přímo součást jádra
operačního systému, někdy je to jen speciální
program
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní15
Interní služby OS
 Zabezpečují efektivní provoz samotného OS
 Alokace zdrojů
 plánovací algoritmy pro přidělování CPU
 přidělování přístupu k tiskárnám apod.
 Účtování
 máme přehled o tom, kteří uživatelé kdy
využily které zdroje
 Ochrana
 autentizace, řízení přístupu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní16
Windows
 Windows API
rozděluje funkce
do přibližně 100
kategorií
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní17
Systémová volání
 Systémová volání tvoří rozhraní mezi
uživatelským procesem a OS
 typicky jsou popsána jako instrukce
assembleru a jsou uvedena v
programátorském manuálu k OS
 vyšší programovací jazyky obsahují některé
funkce, které odpovídají systémovým voláním
(např. open, write) a dále knihovní funkce,
které poskytují vyšší funkčnost a v rámci této
spouští (třeba hned několik) systémových
volání (např. fopen, fwrite).
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní18
Systémová volání
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní19
Systémová volání (2)
 Různé OS a různé HW platformy mívají různé
způsoby jak volat služby OS a různou strukturu
těchto služeb
 Nicméně existují určité standardy, které usnadňují
přenositelnost programového kódu
 v oblasti UNIXu: POSIX (Portable Operating System
Interface)
 V oblasti Windows: Win32 (Windows API)
 Teoreticky kód, který bude psán podle standardu
bude přeložitelný na kompatibilních platformách, v
praxi však existuje celá řada verzí standardu a
mnoho výjimek co je a není implementováno
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní20
POSIX
 Od POSIX.1 (1988) po POSIX:2008
 IEEE Std 1003.1-2008
 ISO/IEC/IEEE 9945:2009
 The Open Group
Technical Standard Base
Specifications, Issue 7
 V části „System interfaces“
je popsáno 1191 položek.
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní21
POSIX příklad - readdir
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní22
POSIX - detaily
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní23
POSIX kompatibilita
Zdroj: Wikipedia, heslo POSIX
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní24
Způsob předání parametrů
 Registry
 mov ah,01h
 mov cx,2000h
 int 10h
 Zásobník
 mov ax,0001h
 push ax
 int 10h
 Blok (struktura, tabulka) v paměti & pointer
 mov ax,0001h
 mov [tabulka1],ax
 mov bx,tabulka1
 int 10h
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní25
Příklad volání API (Win32)
 Popis parametrů funkce ReadFile()
 HANDLE file — deskriptor otevřeného souboru
 LPVOID buffer — buffer pro čtená data
 DWORD bytesToRead — počet bajtů, které chceme číst
 LPDWORD bytesRead — kam uložit počet načtených bajtů
 LPOVERLAPPED ovl — pro asynchronní I/O
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Příklad volání API (Win32)
 Funkce Win32 „CreateProcessAsUser“
BOOL CreateProcessAsUser(
HANDLE hToken, // handle to a token representing the logged-on user
LPCTSTR lpApplicationName, // pointer to name of executable module
LPTSTR lpCommandLine, // pointer to command line string
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes, // process security attributes
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // thread security attributes
BOOL bInheritHandles, // whether new process inherits handles
DWORD dwCreationFlags, // creation flags
LPVOID lpEnvironment, // pointer to new environment block
LPCTSTR lpCurrentDirectory, // pointer to current directory name
LPSTARTUPINFO lpStartupInfo, // pointer to STARTUPINFO
LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation // pointer to PROCESS_INFORMATION
);
 Windows NT: Requires version 3.51 or later.
Windows: Unsupported.
Windows CE: Unsupported.
Header: Declared in winbase.h.
Import Library: Use advapi32.lib.
Unicode: Implemented as Unicode and ANSI versions on
Windows NT.
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní27
Windows API
 Programátorské
rozhraní není
definováno na úrovni
systémových volání
jádra
 Windows API
 dříve Win32
 kernel32.dll, user.dll
 Nižší vrstva ntdll.dll
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní28
Systémová volání Windows
 Přerušení 0x2E
 Příklad ReadFile z ntdll.dll:
Ntdll!ZwReadFile
77f8c552 mov eax, 0xa1 ; the service number
77f8c557 lea edx, [esp+4]
77f8c55b int 2e
77f8c55d ret 0x24
 Příklad používající SYSENTER:
mov aex, 112h
mov edx, 7FFE0300h
call dword prt ds:[edx]
retn 24
Přičemž voláme funkci s kódem:
mov edx, esp
sysenter
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní29
Příklad: SYSENTER
 „The SYSENTER instruction is part of the "Fast System Call"
facility introduced on the Pentium® II processor. The
SYSENTER instruction is optimized to provide the maximum
performance for transitions to protection ring 0 (CPL = 0). The
SYSENTER instruction sets the following registers according to
values specified by the operating system in certain modelspecific
registers.
■CS register set to the value of (SYSENTER_CS_MSR)
■EIP register set to the value of (SYSENTER_EIP_MSR)
■SS register set to the sum of (8 plus the value in
SYSENTER_CS_MSR)
■ESP register set to the value of (SYSENTER_ESP_MSR)“
 SYSENTER/SYSEXIT pro procesory Intel (od Pentia II)
 SYSCALL/SYSRET pro procesory AMD (od K7)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní30
Systémová volání Windows
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní31
Příklad 1: MS-DOS
 DOS interrupts
 INT 20H Terminate a program
 INT 21H DOS Services
 INT 25H/26H Absolute Disk Read/Write
 INT 27H Terminate but Stay Resident
 INT 28H DOS Safe Interrupt / DOS Timeslice (UNDOCUMENTED)
 INT 2eH Perform DOS Command (UNDOCUMENTED)
 INT 2fH Multiplex Interrupt (print spooler, TSR control)
 INT 33H Mouse Support
 INT 67H Expanded Memory Manager (LIM-EMS)
 Address Pointers (not used as software interrupts)
 INT 22H Terminate address
 INT 23H Control-Break address
 INT 24H Critical Error Handler address
 Volání služeb DOSu:
 AH = číslo služby
 ostatní registry (AL, DL, DX, CX, DS:DX, DS:SI, ES:DI, ES:BX) = parametry
 INT 21H
 návratová hodnota bývá v AL
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní32
Příklad 1: MS-DOS (2)
 Systémové volání pro otevření existujícího souboru
 DOS Fn 3dH: Open a File Handle
 Expects:
• AH=3dH
• DS:DX=address of an ASCIIZ string of a filespec
• AL=Open Mode
• AL = 0 to open for reading
• AL = 1 to open for writing
• AL = 2 to open for reading and writing
 Returns: AX=error code if CF is set to CY
=file handle if no error
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní33
Příklad 1: MS-DOS (3)
 Programový kód
filename: DATA “c:\autoexec.bat”,0
mov ax,3d00h
mov dx,[filename]
int 21h
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní34
Příklad 2: Linux
 Systémová volání
 standardně přes int 0x80
 nově i přes instrukci syscall (sysenter)
 Číslo systémového volání
 v registru eax
 v jádře 2.2 přibližně 200 volání, v jádře 2.6 přes 300 volání
 Parametry systémového volání
 v registrech ebx, ecx, edx, esi, edi, ebp
 kromě fce 117 (parametrem je odkaz na strukturu)
 Výsledek
 uložen v eax
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní35
Příklad 2: Linux (2)
 Hello world v assembleru pod Linuxem
section .text
global _start
msg db 'Hello, world!',0xa
len equ $ - msg
_start:
mov edx,len ;message length
mov ecx,msg ;message to write
mov ebx,1 ;file descriptor (stdout)
mov eax,4 ;system call number (sys_write)
int 0x80 ;call kernel
mov eax,1 ;system call number (sys_exit)
int 0x80 ;call kernel
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní36
Příklad 2: Linux (3)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní37
Příklad 2: Linux (4) - strace
anxur:~$ strace echo "Ahoj"
execve("/bin/echo", ["echo", "Ahoj"], [/* 33 vars */]) = 0
brk(0) = 0x1a4fe000
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x2b0d6f209000
uname({sys="Linux", node="anxur.fi.muni.cz", ...}) = 0
access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=104404, ...}) = 0
close(3) = 0
open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\220\332\1Y7\0\0\0"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1717800, ...}) = 0
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x2b0d6f224000
close(3) = 0
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x2b0d6f225260) = 0
munmap(0x2b0d6f20a000, 104404) = 0
open("/usr/lib/locale/locale-archive", O_RDONLY) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=56454288, ...}) = 0
mmap(NULL, 56454288, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x2b0d6f226000
close(3) = 0
brk(0) = 0x1a4fe000
brk(0x1a51f000) = 0x1a51f000
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 110), ...}) = 0
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x2b0d727fd000
write(1, "Ahoj\n", 5Ahoj) = 5
close(1) = 0
exit_group(0) = ?
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní38
Příklad 2: Linux (5)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní39
Příklad 3: FreeBSD
 Systémová volání
 přes VOLÁNÍ FUNKCE, která obsahuje int 0x80
 nebo přes volání brány call 7:0
 Číslo systémového volání
 v registru eax
 Parametry systémového volání
 na zásobníku (první parametr je ukládán poslední)
 Výsledek
 v registru eax
 volající proces musí vyčistit zásobník (parametry)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní40
Příklad 3: FreeBSD (2)
 Hello World v assembleru ve FreeBSD
section .text
global _start
msg db "Hello, world!",0xa
len equ $ - msg
_syscall: int 0x80 ;system call
ret
_start: ;tell linker entry point
push dword len ;message length
push dword msg ;message to write
push dword 1 ;file descriptor (stdout)
mov eax,0x4 ;system call number (sys_write)
call _syscall ;call kernel
add esp,12 ;clean stack (3 arguments * 4)
push dword 0 ;exit code
mov eax,0x1 ;system call number (sys_exit)
call _syscall ;call kernel
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní41
Komplexita OS
 Počet systémových volání OS / API volání
OS rok počet systémových/API volání
UNIX 1971 33
UNIX 1979 47
Windows 1985 450
SunOS 1989 171
4.3 BSD 1991 136
SunOS 1992 219
SunOS 1997 190
Linux 1998 229
NT 4.0 1999 3443
Linux 2009 336
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní42
Komplexita OS (2)
 Rozsah zdrojového kódu Windows
Verze rok miliony řádků
NT 3.1 1993 4-5
NT 3.5 1994 7-8
95 1995 10
NT 4.0 1996 11-12
98 1998 18
2000 2000 29
XP 2001 40
2003 Svr 2003 50
Vista 2009 64