PROGRAMOVÉ VYBAVENÍ, OPERAČNÍ SYSTÉMY

1. Ústav automatizace inženýrských úloh a informatiky FAST VUT v Brně Základy informatiky a výpočetní techniky 1 PROGRAMOVÉ VYBAVENÍ, OPERAČNÍ SYSTÉMY © 1999 – 2002, Michal Vojkůvka

2. Programové vybavení (software) • základní programové vybavení (operační systémy) • prostředky pro tvorbu aplikačního programového vybavení (vývojová prostředí, ...) • aplikační programové vybavení (kancelářské aplikace, CAD, hry, ...) • Nejznámější programovací jazyky • Pascal, C, C++, Java, VisualBasic, Fortran, ... • Konkrétní ilustrační příklady uváděné v dalším textu jsouzaměřeny zejména na operační systém MS Windows 2000.

3. Hodnocení programového vybavení • funkčnost a variabilita • propustnost – objem dat a množství operací, které je schopen program zpracovat za jednotku času; úzce souvisí s parametry technického vybavení • spolehlivost – jak plní požadované funkce, odolnost vůči chybám uživatele i technického vybavení • dobaodezvy – souvisí též s technickým vybavením • náročnostz hlediska obsluhy – zejména uživatelská přívětivost (user friendly software) • úroveň dokumentace – rozsah, přehlednost, názornost, ... • adaptabilita – schopnost reagovat na změny ve funkčnosti • portabilita – přenositelnost programu na počítač jiného typu nebo výrobce • cena – tvoří stále vyšší podíl na ceně celého výpočetního systému

4. Životní cyklus programového díla • specifikace problému – zadání problému, návrh komunikace s programem • analýza – vytvoření logického modelu řešeného systému • návrh – rozklad na dílčí problémy, návrh metody řešení • implementace – návrh reprezentace dat, návrh algoritmů, zápis v programovacím jazyce, ladění • tvorbadokumentace – s cílem umožnit snadné používání jiným uživatelům • testování – ověření správné funkce programu • provoz a údržba – odstranění zjištěných nedostatků a přizpůsobení programu dodatečným požadavkům

5. Co uvádějí statistiky? • 31 % všech softwarových projektů je zastaveno, aniž by byly dokončeny dle zadání • více než 70 % zbývajících je dodáno, aniž by splnily očekávání zadavatelů • průměrný projekt je dokončen za 189 % plánovaných nákladů a 222 % plánovaného času • jen 9 % velkých projektů bylo dokončeno včas a za plánovanou cenu • jen 16 % projektů v malých firmách bylo dokončeno včas a za plánovanou cenu • „Počítač udělá to, co naprogramuješ, ne to, co chceš.“

6. Aplikace Operační systém Technické vybavení Operační systém (OS) • soubor programů, které řídí činnost technického vybavení počítače a umožňují a usnadňují činnost aplikací • hlavním úkolem OS je zprostředkovat vazbu mezi technickým vybavením počítače a aplikacemi • OS poskytuje aplikacím služby a aplikace voláním těchto služeb ovládají technické vybavení počítače • aplikace by neměly mít přímý přístup k technickému vybavení počítače

7. Layers of a Computer System

8. Funkce operačního systému • řídí a spravuje technické prostředky – přiděluje čas procesoru, paměť, vstupní a výstupní zařízení, ... • spravuje data – řídí jejich vstup a výstup, přístup k nim, uchování , ... • řídí zpracování úloh – jejich přípravu, plánování a průběh tak, aby byla zajištěna maximální efektivita jejich zpracování • podporuje komunikaci uživatele s počítačem – formou uživatelského rozhraní, informuje též uživatele o vzniklých problémech či chybách • podporuje bezpečnost a spolehlivost výpočetního systému – formou různých úrovní přístupových práv apod.

9. Operační systémy – důležité pojmy • driver (ovladač) – tvoří rozhraní mezi různorodými periferiemi a jednotnou komunikaci mezi nimi; ovladač je závislý na typu periferie; do operačního systému se začleňuje instalací • bootování – zavádění operačního systému do operační paměti počítače • multitasking – možnost provádění více úloh současně • kooperativní (nonpreemtivní) – přiděluje procesům čas procesoru na takovou dobu, jakou proces požaduje • preemtivní – přidělování času procesoru řídí OS, po určité době je řízení předáno jinému procesu; oproti kooperativnímu multitaskingu je méně zranitelný (havárie jednoho procesu obvykle neznamená havárii celého systému)

10. Operating Systems – Important Terms • kernel– portion of operating system that is in main memory; contains most-frequently used functions; also called the nucleus • process – a program in execution; an instance of a program running on a computer; the entity that can be assigned to and executedon a processor; consists of of three components: • an executable program • associated data needed by the program • execution context of the program

11. Characteristics of Modern OS • Microkernel architecture – assigns only a few essential functions to the kernel • address space • interprocess communication (IPC) • basic scheduling • Multithreading – process is divided into threads that can run simultaneously • Thread – dispatchable unit of work; executes sequentially and is interruptable • process is a collection of one or more threads

12. Rozdělení operačních systémů • jednouživatelské jednoúlohové (single-user single-task) např. CP/M, MS-DOS; s podporou OS běží pouze jedna aplikace • jednouživatelské víceúlohové (single-user multi-task) např. Windows 95, Windows 98; jeden uživatel může mít současně spuštěno více aplikací • víceuživatelské víceúlohové (multi-user multi-task) např. UNIX, Linux; umožňují zpracovávat požadavky více uživatelů současně • systémy s reálným časem (real time) – zejména pro řízení technologických procesů

13. Komunikace uživatele s OS • způsob, jakým uživatel dává pokyny pro OS a v jaké formě dostává zprávy o výsledku provedené operace, je označován jako uživatelské rozhraní (User Interface) • existují v podstatě dvě formy uživatelského rozhraní: • textové uživatelské rozhraní – např. MS-DOS, uživatel zadává pokyny prostřednictvím tzv. příkazového řádku • grafické uživatelské rozhraní (Graphical UserInterface, GUI) – převážná většina současných operačních systémů, obvykle též možnost zapisovat příkazy v příkazovém řádku

14. Komunikace uživatele s OS Textové uživatelské rozhraní Grafické uživatelské rozhraní

15. Organizace dat na disku • Diskové jednotky počítače • označovány písmeny A až Z • A:, B: - disketové jednotky • C: - systémová část pevného disku • D:, E:, ... - další (logické) pevné disky • - vnější paměti (CD-ROM, ZIP, ...) • - namapované síťové disky • Příklad: A: disketová jednotka • C: systémová část pevného disku 10 GB • D: logický pevný disk 10 GB • E: jednotka CD-ROM • Q: síťový disk • Data na discích C: a D: mohou být ve skutečnosti uložena na jedinémpevném disku s kapacitou 20 GB (podle konfigurace počítače).

16. Fyzický disk 10 GB Primární oblast 4 GB C: 4 GB Rozšířená oblast 6 GB D: 3 GB E: 3 GB Pevný disk Oblasti(partitions) Logické disky Organizace dat na disku Logické rozdělení disku – příklad

17. Organizace dat na disku - soubory • Soubor (File) • množina logicky souvisejících prvků • „pojmenovaná posloupnost bajtů uložená na záznamovém médiu“ • název souboru se skládá ze jména a přípony (např.faktura.doc, calc.exe apod.) • přípona je nepovinná (ale téměř vždy se používá) a je od jména oddělena tečkou • přípona obvykle určuje typ (formát) souboru • pravidla pro pojmenování souborů závisí na konkrétním operačním systému • v názvu souboru nejsou obvykle povoleny znaky\ / : * ? < >|

18. Organizace dat na disku - soubory • v operačním systému MS-DOS mohlo mít jméno souboru délku max. 8 znaků a přípona max. 3 znaky • operační systém UNIX rozlišuje velká a malá písmena v názvech souborů • Nejednoznačná specifikace souborů • používá se tzv. hvězdičková konvence (wildcards) • jméno a přípona souboru se nemusí uvádět jednoznačně, lze použít zástupných znaků * a ? • * zastupuje libovolný počet (i žádný) znaků • ? zastupuje vždy jeden libovolný znak • použití je možné téměř ve všech příkazech, kde se vyskytuje jméno souboru

19. Organizace dat na disku - soubory Nejednoznačná specifikace souboru Příklad: Předpokládejme soubory (v jedné složce) dop.exe dopis.rtf dopis.txt dopis2.doc dopis3.txt doporuc.txt Následující zápisy potom specifikují tyto soubory: dopis*.* dopis.rtf dopis.txt dopis2.doc dopis3.txt dop*.* všechny soubory, protože všechny začínají na dop dop.* dop.exe dopis?.* dopis2.doc dopis3.txt dopis.?? žádný soubor (přípona by musela mít délku 2 znaky) dop.?x? dop.exe dop*.?x? dop.exe dopis.txt dopis3.txt doporuc.txt *.* všechny soubory *.txt dopis.txt dopis3.txt doporuc.txt (všechny soubory s příponou txt)

20. Organizace dat na disku - soubory

21. Organizace dat na disku - soubory • Přípony souborů (File Extensions) • Spustitelné soubory, skripty • exe (executable file) • com (command file) • bat (batch file) – dávkový soubor • vbs (Visual Basic Script file) • js (JScript, JavaScript file) • Textové dokumenty • txt (text file) • doc (MS Word Document, příp. jiný fomát) • rtf (Rich Text Format) • ps (PostScript) • pdf (Portable Document Format) • 602 (Text602)

22. Organizace dat na disku - soubory • Přípony souborů • Hypertextové dokumenty • htm, html (HyperText Markup Language) • Grafické soubory (obrázky) • jpg, jpe, jpeg (Joint Photographic Experts Group) • gif (Graphical Interchange Format) • png (Portable Network Graphics) • bmp (Bitmap file) • pcx (PC Paintbrush format) • tif, tiff (Tag Image File Format)

23. Organizace dat na disku - soubory • Přípony souborů • Zvukové soubory • mp3, mpeg3 (MPEG Audio Layer 3) • wav (Waveform sound) • ra (Real Audio) • mid (Musical Instrument Digital Interface – MIDI) • Multimediální formáty (audio/video) • mpg, mpeg (Moving Picture Experts Group) • avi (Audio Video Interleaved) • asf (Advanced Streaming Format) • qt (QuickTime) • mov (Movie)

24. Organizace dat na disku - soubory • Přípony souborů • Archivní soubory (komprimované) – viz dále • zip • rar • arj • gz, gzip (zejména v OS UNIX) • příp. exe (self-extracting archive – samorozbalující) • Další formáty • xls (MS Excel Spreadsheet) • ppt (MS PowerPoint Presentation) • ttf (True Type Font) • dwg (Autocad Drawing) • dll (Dynamic Link Library – dynamická knihovna) • bak (backup file – záložní soubor) • tmp (temporary file – dočasný soubor)

25. Organizace dat na disku - soubory • Asociace • využití přípony souboru k vyvolání akce, která je s touto příponou spojena (např. soubor s příponou XLS  spuštění aplikace MS Excel a automatické načtení toho souboru) • daná aplikace však musí požadovaný formát souboru podporovat

26. Organizace dat na disku - adresáře • Adresář (directory) / složka (folder) • adresář (nebo podadresář) je prostor na disku, který může obsahovat soubory nebo další (pod)adresáře • adresáře tvoří hierarchickou stromovou strukturu • adresář je určen svým jménem podle stejných pravidel jako název souboru (přípona se však obvykle nepoužívá) • na disku je vždy adresář, který se nazývá hlavní (kořenový, root) a je označen znakem \ • v různých adresářích mohou existovat podadresáře nebo soubory se stejným názvem • od operačního systému Windows 95 je pojemadresář nahrazen pojmem složka

27. Organizace dat na disku - cesty • konkrétní soubor je jednoznačně určen označením disku, posloupností adresářů vedoucích do adresáře, kde je soubor uložen (tzv. cesta), a vlastním názvem souboru • Cesta (path) • určuje přesné umístění souboru ve stromové struktuře adresářů • je dána jmény jednotlivých do sebe zanořených adresářů oddělených oddělovacím znakem • jako oddělovací znak se obvykle používá \ nebo / • cestu lze zapsat jako • absolutní (úplnou) – začíná vždy kořenovým adresářem, příp. i označením disku • relativní (neúplnou) – začíná aktuálním adresářem

28. Organizace dat na disku - cesty Absolutnícesta Aktuální adresář C:\Dokumenty C:\Dokumenty\recenze.doc C:\Dokumenty\Pracovní\adresy.doc C:\Dokumenty\Záloha\photo.jpg

29. Organizace dat na disku - cesty Konvence . aktuální adresář .. rodičovský (nadřazený) adresář recenze.doc (nebo .\recenze.doc) Osobní\doporuc.txt adresy.doc (nebo .\adresy.doc) ..\škola.txt ..\Osobní\dopis.rtf Relativnícesta Aktuální adresář C:\Dokumenty Aktuální adresář C:\Dokumenty\Pracovní

30. Organizace dat na disku - komprese • Komprese souborů (file compression) • speciální metoda vedoucí ke zmenšení velikosti souboru (souborů) beze ztráty informace (ve speciálních případech může ke ztrátě dojít) • programy pro kompresi souborů umožňují vytvořit z vybraných souborů a adresářů jediný soubor, jehož objem je menší než součet velikostí jednotlivých souborů v balíku (archivu) • mezi nejznámější formáty používané pro kompresi souborů patří ZIP, RAR, ARJ, ... • provést kompresi se obvykle říká „zazipovat“ nebo „zabalit“; místo pojmu dekomprimovat se často požívá „rozbalit“ • komprese a dekomprese dat může být též prováděna on-line (např. s podporou operačního systému)

31. 5018 / 39936 = 0,13 1 – 0,13 = 0,87 „úspora“ 87 % Organizace dat na disku - komprese 160 KB 37,5 KB

32. Organizace dat na disku - komprese Kompresní poměr vždy záležína konkrétním typu souboru. 4,02 MB 3,65 MB

33. Organizace dat na disku • cluster (klastr, alokační jednotka) – nejmenší logická datová jednotka na disku, skupina několika sektorů • počet sektorů v clusteru souvisí s kapacitou disku, čím větší je disk, tím větší bývá i velikost clusteru • i když uložíme na disk soubor o velikosti jen 1 B, obsadíme tím ve skutečnosti celý cluster, protože cluster je nejmenší logická datová jednotka na disku • Master Boot Record (MBR) – uložen v nultém sektoru nulté stopy disku, má dvě části: • tabulku oblastí (partition table) • zaváděcí záznam – krátký program spouštěný BIOSem při startu počítače, jeho úkolem je načíst tabulku oblastí a najít aktivní oblast (tu, z níž se načte systém)

34. Organizace dat na disku • virtuální paměť – slouží ke „zvětšení“ kapacity operační paměti. Pokud systém potřebuje více paměti než je dostupná fyzická paměť RAM, jsou do souboru virtuální paměti na pevném disku odkládány právě nepoužívané paměťové bloky. Jde pochopitelně o jakousi „nouzovou“ paměť, protože přístup k pevnému disku je mnohem pomalejší než k paměti RAM. • defragmentace – neustálá práce se soubory na pevném disku (ukládání, mazání) má za následek, že uložené soubory jsou „rozkouskovány“ na několik částí. Defragmentace roztroušené kousky souborů uspořádá tak, aby obsah jednotlivých souborů byl uložen co nejvíce pohromadě (např. v po sobě jdoucích clusterech), čímž se urychlí práce s těmito soubory.

35. Virtual Memory • using a disk as an extension ofRAM so that the effective size of usable memorygrows correspondingly • is managed by an operating system • the OS will write the contentsof a currently unused block of the main memory to the hard diskso that the memory can be used for another purpose • when the original contents are needed again, they are read back into memory • this is all made completely transparent to the user • of course, reading and writingthe hard disk is slower than using RAM, so the programs don't run as fast

36. Virtual Memory – cont’d • the part of the hard disk that is used as virtual memory is called the swap space • the cache concept is intended to bridge the speedgap between the CPU and the main memory • the virtual-memory concept bridges the size gap between the main memory and the socondary storage

37. Defragmentation • each file is stored as a linked list of clusters • fragmentation: a result of the creation and deletionof files over a period of time • defragmentation reduces data access time and allowsstorage to be used more efficiently

38. Defragmentation – example • let's consider a disk that contains only 12 clusters • initially, all clusters are empty • create four files: file A takes up 1 cluster, B takes 4, C takes 2, D takes 3 • delete the file C • create new file E that needs 3 clusters • delete files A and E • create file F which takes up 4 clusters • after defragmentation

39. Typy souborových systémů • FAT (File Allocation Table) – tabulka umístění souborů • 12-bitová FAT (FAT12) – pouze na disketách • 16-bitová FAT (FAT16) • 32-bitová FAT (FAT32) • NTFS (New Technology File System) – umožňuje definovat přístupová práva pro jednotlivé soubory a adresáře

40. Typy souborových systémů FAT (File Allocation Table) – tabulka umístění souborů *) omezené použití

41. FAT12, FAT16, FAT32 – srovnání • FAT12: The oldest type of FAT uses a 12-bit binary number to hold the cluster number. A volume formatted using FAT12 can hold a maximum of 4086 clusters, which is 212 minus a few values (to allow for reserved values to be used in the FAT). FAT12 is therefore most suitable for smaller volumes, and is used on floppy disks and hard disk partitions smaller than about 16 MB. • FAT16: The FAT used for most hard disk partitions uses a 16-bit binary number to hold cluster numbers. When you see someone refer to a "FAT" volume generically, they are usually referring to FAT16, because it is the de facto standard for hard disks. A volume using FAT16 can hold a maximum of 65526 clusters, which is 216 less a few values (again for reserved values in the FAT). FAT16 is used for hard disk volumes ranging in size from 16 MB to 2048 MB. • FAT32: The newest FAT type, FAT32 is supported by Windows 95's OEM SR2 release, as well as Windows 98. FAT32 uses a 28-bit binary cluster number–not 32, because 4 of the 32 bits are "reserved". 28 bits is still enough to permit ridiculously huge volumes–FAT32 can theoretically handle volumes with over 268 million clusters, and will support (theoretically) drives up to 2 TB in size. However to do this the size of the FAT grows very large. • www.storagereview.com/guide2000/ref/hdd/file/partSizes.html

42. FAT12, FAT16, FAT32 – srovnání

43. Podpora souborových systémů

44. Zjištění typu souborového systému

45. Zavádění operačního systému • testovací a diagnostické programy (s využitím služeb BIOSu) • zavaděč nalezne systémový disk • načte do RAM zaváděcí záznam • zaváděcí záznam zahájí načítání dalších systémových souborů (jádra) This procedure may differ slightly for various computers and operating systems.

46. Nejznámější operační systémy • MS-DOS (MicroSoft – Disk Operating System) • Windows 95,Windows 98, Windows Me(Millennium Edition) • Windows NT (New Technology), Windows 2000, Windows XP (Experience) • OS/2 (IBM) • LINUX, UNIX, … Microsoft

47. Dvě „vývojové větve“ MS Windows

48. Další operační systémy Linux

49. Operační systém MS-DOS • dříve velice populární diskový jednouživatelský jednoúlohový operační systém používaný na osobních počítačích

50. Operační systém MS-DOS Základní příkazy nápověda: příkaz /? spuštění programu: soubor nebo cesta\soubor změna aktuálního disku: disk: změna aktuálního adresáře do přímo podřízeného: cd adresář do libovolného: cd cesta\adresář do nadřízeného: cd .. obsah aktuálního adresáře plný výpis: dir zhuštěný výpis: dir /w s pozastavením výpisu: dir /p (dir | more) vytvoření adresáře: md jméno zrušení adresáře: rd jméno smazání souboru: del soubor přejmenování souboru: ren stary novy výpis obsahu souboru: type soubor přesun souboru: move co kam kopírování souboru: copy co kam vytvoření systémového disku:sys disk: rozdělení disku:fdiskformátování disku:format disk: