OS - teória

- vytvorené podľa Tanenbaum

Čo je to operačný systém (OS)?

Operačný systém je SW, ktorý spravuje HW a umožňuje jednoduchšiu tvorbu aplikácií. Slúži ako manažér prostriedkov a úloh, pričom jeho ekosystém zahŕňa služby, knižnice, kompilátory, ovládače a rozhrania (napr. Shell, GUI). Tieto rozhrania umožňujú efektívnu interakciu používateľa s OS a zvyšujú jeho praktickosť.

Aké sú nutné podmienky vzniku uviaznutia (Deadlock)?

• Mutual Exclusion (vzájomné vylučovanie)

• Hold-and-wait (čiastočné pridelenie)

• No-preemption (nepreemptívne prostriedky)

• Circular-Wait (čakanie na prostriedky)

Čo predstavuje podmienka vzájomného vylučovania?

Mutual Exclusion je zásadná podmienka v oblasti správy zdrojov, kde sa vyžaduje, aby zdieľaný prostriedok mohol byť použiteľný alebo pridelený iba jednému procesu v danom okamihu. To znamená, že v prípade, ak má niektorý proces prístup k tomuto zdieľanému prostriedku, ostatné procesy musia počkať, kým sa tento zdroj neuvoľní a nebude k dispozícii pre ďalšie používanie.

Aké sú metódy prevencie pre vzájomné vylučovanie?

• Zdieľanie prostriedkov: Umožnenie viacerým procesom súčasne využívať rovnaký prostriedok (napr. na čítanie).

• Daemon proces: Namiesto toho aby procesy získali prístup k prostriedku, prostriedok bude pridelený špeciálnemu procesu (daemon), ktorému budú ostatné procesy posielať správy s požiadavkami a on sám ich vykoná

Čo predstavuje podmienka Hold-and-Wait?

Procesy si najprv rezervujú potrebné prostriedky, no často sa dostanú do situácie, keď musia čakať na ďalšie prostriedky, aby mohli pokračovať vo svojej práci.

Aké sú metódy prevencie pre Hold-and-Wait?

Predalokácia: program dopredu určí, aké prostriedky potrebuje a bude spustený z už pridelenými všetkými naraz

Čo predstavuje podmienka No-Preemption?

Prostriedky nemožno násilne odobrať procesu, ktorý ich aktuálne používa. Ak proces požaduje ďalšie prostriedky, ktoré nie sú dostupné, musí uvoľniť všetky už pridelené prostriedky a znovu čakať na ich prerozdelenie.

Aká je prevencia podmienky No-Preemption?

Použitie preemptívnych prostriedkov: Prostriedky možno procesu dočasne odobrať a neskôr opätovne prideliť bez narušenia jeho činnosti.

Čo predstavuje podmienka Circular-Wait?

Ide o stav, keď procesy vytvoria cyklus, v ktorom každý proces drží prostriedok, ktorý vyžaduje ďalší proces v poradí, takže žiaden z procesov nemôže pokračovať, čo vedie k zablokovaniu systému.

Aká je prevencia podmienky Circular-Wait?

Hierarchické usporiadanie prostriedkov: Prostriedky sú očíslované a procesy môžu žiadať prostriedky iba v stanovenom poradí (napr. od nižšieho čísla k vyššiemu).

Čo je to semafor?

Semafor je synchronizačný mechanizmus v OS, ktorý slúži na riadenie prístupu procesov k zdieľaným zdrojom.

Aké sú typy semaforov?

• Binárny semafor (tam patrí mutex).

• Počítací semafor

Na čo slúži binárny semafor (MUTEX)?

Na zabezpečenie vzájomného vylúčenia pri prístupe ku kritickej sekcii.

Na čo slúži počítací semafor?

Na sledovanie a riadenie viacerých dostupných zdrojov.

Ako funguje operácia Down (P) a Up (V)?

• Down - Zníži hodnotu semaforu, ak > 0; inak uspí proces.

• Up - Zvýši hodnotu semaforu a prebudí jeden čakajúci proces.

Aký je mechanizmus operácií Down (P) a Up (V) pre binárny a počítací semafor a v čom sa líšia ich hodnoty a účely?

• Binárny semafor (hodnoty 0 alebo 1) slúži na ochranu kritickej sekcie (napr. mutex).

• Počítací semafor (hodnota ≥ 0) sa používa na sledovanie dostupných zdrojov (napr. sloty v buffri).

Čo je to monitor a aký má hlavný účel?

Monitor je synchronizačný mechanizmus, ktorý zabezpečuje vzájomné vylúčenie a synchronizáciu procesov tým, že v jednom okamihu umožňuje prístup len jednému procesu.

Aký je rozdiel medzi monitorom a semaforom?

Monitor je vysokoúrovňový mechanizmus riadený kompilátorom, zatiaľ čo semafor je nízkoúrovňový mechanizmus riadený operačným systémom.

Ako monitor zabezpečuje synchronizáciu procesov?

Pomocou podmienkových premenných a operácií:

• wait (uspí proces, kým sa podmienka nesplní)

• signal (prebudí čakajúci proces).

Aké mechanizmy sa používajú na riadenie vstupu do kritickej oblasti?

• Zakázanie prerušení: Zastavenie prerušenia na jednom jadre (Nevhodné pre viacjadrové procesory.)

• Busy Waiting: Aktívna kontrola ( plytvanie CPU ).

  • Softvérové riešenia: Napr. Petersonov algoritmus.

  • Špeciálne inštrukcie: TSL a XCHG (Exchange) pre atomickosť.

• Sleep and WakeUp: Blokované čakanie namiesto aktívneho.

Aké konkrétne nástroje sa využívajú pri mechanizme Sleep and WakeUp?

• Semafór: Operácie up() a down() na riadenie prístupu k zdrojom.

• Monitor: Vysokoúrovňový nástroj s podmienenými premennými pre synchronizáciu.

Prečo nie je vhodné používať zakázanie prerušení vo viacjadrových CPU?

• Zakázanie ovplyvní iba jedno jadro, ostatné môžu narušiť kritickú sekciu.

• Vedie k nekonzistentným dátam a nízkej efektivite systému.

• Nie je škálovateľné pre viacjadrové prostredia.

Aký mechanizmus sa používa na synchronizáciu vo viacjadrových CPU namiesto zakazovania prerušení?

• Inštrukcie zaručujúce atómickosť, napr. TSL (Test and Set Lock) a XCHG (Exchange).

• Zabezpečujú bezpečnú synchronizáciu medzi jadrami bez ovplyvnenia výkonu.

Ako funguje TSL a XCHG pri synchronizácii?

• TSL: Atómicky nastaví zámok; ak je voľný, proces získa prístup, inak čaká.

• XCHG: Vymení hodnoty medzi registrom a zámkom, čím zabezpečí exkluzívny prístup.

Aký je princíp dynamickej relokácie?

• Umožňuje procesom používať logické adresy nezávisle od fyzického umiestnenia.

• Procesor pripočíta hodnotu z Base registra k logickej adrese a vytvorí fyzickú adresu.

• Vykonáva sa automaticky hardvérom, bez zásahu softvéru.

Aké úpravy procesora sú potrebné pre dynamickú relokáciu?

• Base register: Ukladá základnú adresu pre výpočet fyzickej adresy.

• Limit register: Overuje, či adresa nepresahuje povolený rozsah pamäte.

• Hardvérová podpora: Zabezpečuje automatické pripočítanie a kontrolu adries.

Čo je to swapping?

Swapping je stratégia, pri ktorej sa procesy dočasne presúvajú z hlavnej pamäte na disk, aby sa uvoľnilo miesto pre iné procesy.

Ako fungujú základné algoritmy prideľovania pamäte?

• First Fit: Nájde prvú voľnú medzeru dostatočnej veľkosti.

• Best Fit: Nájde najmenšiu voľnú medzeru, ktorá vyhovuje.

• Worst Fit: Použije najväčšiu voľnú medzeru.

Aký je rozdiel medzi blokujúcimi a neblokujúcimi volaniami?

• Blokujúce volanie: Proces čaká na dokončenie operácie.

• Neblokujúce volanie: Proces pokračuje okamžite, ale môže naraziť na problémy s bufferom.

Aké sú výhody a nevýhody blokujúcich volaní?

• Výhody:

  • Jednoduchšia implementácia a programovanie.

  • Nepotrebujú dodatočné mechanizmy na správu bufferov alebo synchronizácie.

  • Proces môže byť zablokovaný, ale iné vlákna môžu pokračovať.

• Nevýhody:

  • Proces čaká na dokončenie operácie, čo môže spôsobiť neefektívne využitie CPU.

  • Môže spôsobiť zbytočné oneskorenie pri pomalom pripojení alebo veľkých prenosoch.

Aké sú výhody a nevýhody neblokujúcich volaní?

• Výhody:

  • Proces môže pokračovať v práci paralelne s prenosom dát.

  • Vhodné pre vysokovýkonné systémy, kde je potrebné minimalizovať latenciu.

• Nevýhody:

  • Zvyšuje sa komplexnosť implementácie.

  • Vyžaduje mechanizmy na správu bufferov (napr. kopírovanie dát, signalizácia).

  • Proces môže naraziť na problémy so synchronizáciou alebo prepisom dát.

Čo je to virtuálna pamäť a prečo sa používa?

Virtuálna pamäť umožňuje procesom pracovať s adresným priestorom väčším ako dostupná fyzická pamäť, pričom využíva stránkovanie a stránkové tabuľky.

Čo je úlohou jednotky MMU (Memory Management Unit)?

MMU mapuje virtuálne adresy na fyzické pomocou stránkových tabuliek a spracováva chyby stránkovania, ak nie je stránka prítomná v pamäti.

Čo je to DMA a RDMA (Remote Direct Memory Access)?

DMA: Mechanizmus, ktorý umožňuje zariadeniam, ako sú disky alebo sieťové karty, priamo prenášať dáta medzi sebou a hlavnou pamäťou bez nutnosti zaťažiť procesor. CPU inicializuje prenos, ale samotný proces prebieha nezávisle.

RDMA, rozšírenie DMA, umožňuje priamy prenos dát medzi pamäťami rôznych počítačov cez sieť bez zásahu OS oboch strán, čím znižuje latenciu (oneskorenie).

Čo je to RPC (Remote Procedure Call) a aké sú jeho hlavné problemy?

RPC je Mechanizmus umožňujúci procesom volať vzdialené procedúry tak, akoby išlo o lokálne volania.

Medzi jeho hlavné problémy patrí:

• Nemožnosť prenášať ukazovatele.

• Nezdieľanie globálnych premenných medzi klientom a serverom.

Na čo slúži DSM (Distributed Shared Memory)?

DSM simuluje zdieľanú pamäť medzi uzlami tým, že prenáša stránky na základe požiadaviek procesora.

inak povedané:

DSM vytvára dojem, že v distribuovanom systéme existuje zdieľaná pamäť. Keď procesor potrebuje prístup k pamäti na inom uzle, mechanizmus prenesie celú stránku cez sieť. Týmto spôsobom môže procesor pristupovať k dátam lokálne a pokračovať v práci, akoby mal všetku pamäť priamo k dispozícii.

Čo je proces a aký je jeho hlavný význam v OS?

Proces je abstrakcia bežiaceho programu na počítači, zahŕňajúca stav procesora vrátane hodnôt registra a vykonávaných inštrukcií.

Obsahuje potrebné dáta v pamäti a ďalšie zdroje ako vstupno-výstupné zariadenia.

Umožňuje simultánne spracovanie viacerých úloh, čím zvyšuje využitie procesora a optimalizuje výkon systému, čo je kľúčové pre multitasking.

Aké sú tri hlavné stavy procesov a aké sú medzi nimi prechody?

Proces môže byť v stave Running (bežiaci), Ready (pripravený) alebo Blocked (blokovaný). Prechody sú:

• Blokovanie (napr. čakanie na vstup).

• Prepnutie na iný proces (z Running do Ready).

• Znovuobnovenie behu (z Ready do Running).

• Odblokovanie po prijme vstupu (z Blocked do Ready)

Ako multiprogramovanie zvyšuje využitie CPU?

Multiprogramovanie umožňuje, aby viaceré procesy boli v pamäti súčasne. Ak jeden proces čaká na I/O, CPU spracuje iný, čím sa znižuje šanca, že všetky procesy budú naraz čakať.

Čo je vlákno a ako sa líši od procesu?

Vlákno je „ľahký proces“ s vlastným počítadlom, registrami a zásobníkom, ale zdieľa adresný priestor a zdroje s ostatnými vláknami v procese.

Čo je program, proces a vlákno? Aký je ich vzájomný vzťah?

• Program: Statický súbor inštrukcií, uložený na disku. Po spustení sa mení na proces.

• Proces: Aktívny vykonávaný program s pridelenými zdrojmi (adresný priestor, registre, zásobník). Procesy sú izolované.

• Vlákno (Thread): Najmenšia jednotka vykonávania. Má vlastné registre, čítač inštrukcií a zásobník, no zdieľa zdroje procesu.

Vzťah: Program sa spustením stáva procesom, ktorý môže obsahovať jedno alebo viac vlákien. Vlákna umožňujú paralelné vykonávanie v rámci jedného procesu.

Čo sú „pop-up threads“ a aký majú význam?

„Pop-up threads“ sú vlákna vytvorené na spracovanie prichádzajúcich nových správ, čo minimalizuje latenciu a umožňuje rýchle spracovanie udalostí.

Aké sú rozdiely medzi User a Kernel threads?

Prečo je potrebný Kernel mód v OS?

• Poskytuje prístup k HW (procesor, pamäť, I/O zariadenia).

• Spravuje systémové zdroje a zabezpečuje ich ochranu.

• Umožňuje spracovanie prerušenia a systémové volania.

Bez Kernel módu:

• Programy by mohli manipulovať s HW a systémovými dátami.

• Zlyhanie jednej aplikácie by mohlo zhodiť celý systém.

• OS by stratil stabilitu a bezpečnosť.

Prečo je potrebný User mód v OS?

• Izoluje aplikácie od kritických častí systému.

• Zabráni bežným programom v priamom prístupe k HW a systémovým dátam.

• Chráni systém pred chybami a škodlivým kódom.

Bez User módu:

• Aplikácie by mohli prepísať systémové dáta.

• Chybný alebo škodlivý kód by mohol ohroziť celý OS.

• Nedostatok ochrany by viedol k nestabilite systému.

Uveďte postupnosť krokov, ktoré nastanú v OS pri spracovaní prerušenia

---

č. 1: Čo urobí hardvér pri prerušení?

• Hardvér odloží obsah Program Counter (PC) do zásobníka.

• Hardvér uloží stav vykonania inštrukcie.

• Hardvér vyvolá prerušenie (TRAP).

Uveďte postupnosť krokov, ktoré nastanú v OS pri spracovaní prerušenia

---

č. 2: Čo urobí OS pri prerušení?

• OS spustí podprogram na spracovanie prerušenia:

  • Uloží kontext procesu (registre, stav).

  • Identifikuje typ prerušenia (napr. Page Fault).

• Spustí podprogram na riešenie identifikovaného prerušenia.

Uveďte postupnosť krokov, ktoré nastanú v OS pri spracovaní prerušenia

---

č 3: Čo sa deje pri Page Fault?

• Podprogram OS vyhľadá chýbajúcu stránku na disku.

• Ak v pamäti nie je dostatok miesta, vyberie stránku (obeť) na vyhostenie.

• Načíta chýbajúcu stránku do pamäte.

Uveďte postupnosť krokov, ktoré nastanú v OS pri spracovaní prerušenia

---

č. 4: Ako sa ukončí spracovanie prerušenia?

• OS obnoví pôvodný kontext procesu.

• Načíta obsah PC zo zásobníka.

• Vystúpi z prerušenia a pokračuje vo vykonávaní pôvodnej inštrukcie.

Čo je to viacúrovňové stránkovanie?

Viacúrovňové stránkovanie rozdeľuje virtuálnu adresu na viaceré úrovne (napr. globálny, horný, stredný adresár a tabuľka stránok). Každá úroveň odkazuje na ďalšiu, až kým sa nedosiahne fyzická stránka.

Prečo používať viacúrovňové stránkovanie?

• Viacúrovňové stránkovanie šetrí pamäť tým, že sa tabuľky stránok alokujú iba pre použité časti adresného priestoru.

• Výrazne sa znižuje potreba veľkej réžie pre nevyužité časti adresného priestoru.

• Napr. pri 2-úrovňovom stránkovaní:

  • 1. úroveň (10 bitov) + 2. úroveň (10 bitov) = réžia 8 kB.

  • Jednoúrovňové stránkovanie by vyžadovalo 8 MB.

Čo sa stane v HW a SW pri Page Fault?

1. Identifikácia stránky: HW zistí číslo chýbajúcej stránky.

2. Kontrola oprávnení: Skontroluje sa platnosť a povolenia stránky.

3. Pridelenie rámca: Ak nie je voľný rámec, algoritmus (napr. LRU) vyberie stránku na výmenu.

4. Načítanie stránky: Stránka sa načíta z disku do voľného rámca.

5. Aktualizácia: SW aktualizuje tabuľku stránok a zopakuje chybnú inštrukciu.

Čo je to spooling?

• Spooling je technika správy I/O zariadení, ktorá umožňuje efektívne využitie zariadení, ako napríklad tlačiarní, v multiprogramovacích systémoch.

• Dátové súbory sa najskôr ukladajú do spoolingového adresára a spracováva ich špeciálny proces, tzv. démon, ktorý zabezpečuje poradie tlače.

Uveďte a stručne popíšte jednotlivé vrstvy I/O softvéru a firmvéru

• User Processes:

  • Požiadavky na I/O operácie, formátovanie dát, spooling (dočasné ukladanie).

• Device-Independent Software:

  • Abstrakcia zariadení, správa názvov, ochrana prístupu, blokovanie, vyrovnávacia pamäť (buffering), alokácia zdrojov.

• Device Drivers:

  • Komunikácia so zariadeniami, nastavenie registrov, kontrola ich stavu.

• Interrupt Handlers:

  • Spracovanie hardvérových prerušení, aktivácia ovládačov po dokončení I/O operácií.

• Hardware:

  • Fyzická realizácia I/O operácií medzi zariadením a systémom.

Čo je to súborový systém?

• Súborový systém je abstrakcia OS na správu ukladania, organizácie a prístupu k dátam.

• Skryje komplexnosť hardvéru a poskytuje konzistentné rozhranie na prácu so súbormi a adresármi.

Aké sú hlavné súčasti súborového systému?

• Súbor: Základná jednotka na ukladanie dát, obsahuje informácie o umiestnení na disku.

• Adresár: Organizuje súbory a podadresáre v hierarchii, uchováva ich vlastnosti.

• Mechanizmy správy úložiska: Prideľujú, ukladajú a uvoľňujú diskový priestor.

• Prístupové práva: Určujú oprávnenia na prístup a manipuláciu so súbormi.

Aké sú základné druhy súborových systémov?

• FAT (File Allocation Table)

• i-node systémy

• Systémy pre trvalé úložiská

Čo je FAT súborový systém a kde sa používa?

FAT (File Allocation Table):

• Jednoduchý systém vhodný pre menšie zariadenia (USB, fotoaparáty).

• Poskytuje základné funkcie na ukladanie a vyhľadávanie súborov.

• Rozšírený v embedded systémoch pre svoju jednoduchosť.

Aké sú charakteristiky i-node súborových systémov?

• Používajú štruktúru i-node, ktorá uchováva:

  • Metadáta o súbore (vlastnosti, prístupové práva).

  • Informácie o umiestnení na disku.

• Efektívne spravujú veľké množstvo súborov a adresárov.

• Bežne používané na serveroch a PC.

Aké sú vlastnosti súborových systémov pre trvalé úložiská?

• Navrhnuté na správu veľkých dátových objemov.

• Zamerané na rýchly prístup, spoľahlivosť a bezpečnosť.

• Používané pre moderné dátové centrá a veľké úložiská.