Vyšší odborná škola ekonomická a zdravotnická a Střední škola, Boskovice MODUL 12: DATOVÉ SÍTĚ I. Studijní opora

Transkript

1 Vyšší odborná škola ekonomická a zdravotnická a Střední škola, Boskovice MODUL 12: DATOVÉ SÍTĚ I. Studijní opora

2

3 Název projektu: Zkvalitňujeme cestu k poznání Číslo projektu: CZ.1.07/1.1.02/ Datové sítě I. Autor: Ing. David Marek Tato studijní opora byla vytvořena pro projekt Zkvalitňujeme cestu k poznání CZ.1.07/1.1.02/ Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Boskovice 2011 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

4 Tento studijní text byl vytvořen jako součást řešení projektu Zkvalitňujeme cestu k poznání podaného v rámci OPVK pod číslem CZ.1.07/1.1.02/ Žádná část tohoto materiálu nesmí být použita bez výslovného souhlasu autora. Žádná část tohoto materiálu nesmí být použita jinak, než jak povoluje licenční ujednání CC BY-NC-ND 3.0: Uveďte autora-neužívejte dílo komerčně-nezasahujte do díla 3.0 Česko Vydala VOŠ ekonomická a zdravotní a SŠ Boskovice, Hybešova 53, Boskovice v roce Prosím, dodržujte licenci pro použití této publikace: Studijní text je určen výhradně pro nekomerční použití (pro osobní potřebu, nekomerční vzdělávání) s licencí Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0 (Uveďte autora-neužívejte dílo komerčně-nezasahujte do díla 3.0 Česko). Dílo smíte šířit za těchto podmínek: Uveďte autora, neužívejte dílo komerčně, nezasahujte do díla (viz platný text licence: Studijní text můžete v rámci nekomerčního vzdělávání šířit volně a bezplatně. Pokud budete dílo šířit, máte povinnost ostatní seznámit s podmínkami této licence. Pokud tento studijní text používáte při výuce, prosím Vás o informaci o této skutečnosti. Věcné a konstruktivní připomínky, náměty a případné nalezené chyby mi zasílejte, prosím, na elektronickou adresu najdete ji na stránkách naší školy ( Tato publikace je předmětem průběžné aktualizace bez předchozího upozornění. Aktuální verze: 2.4 Děkuji za dodržování licenčních podmínek. Vaší případné spolupráce na zlepšení textu si vážím a děkuji za ni. autor Použité grafické materiály Některé obrázky v tomto dokumentu jsou převzaty z elektronické nápovědy produktů Microsoft Windows, nebo byly pořízeny snímkem z obrazovky. Obrázky byly pořízeny s oprávněním od společnosti Microsoft Microsoft Corporation. Informace o autorských právech a ochranných známkách Všechny obchodní názvy a ochranné známky jsou majetkem svých příslušných vlastníků. Ochranné známky nebo registrované ochranné známky zmiňované v tomto dokumentu jsou uváděny pouze pro informační a výukové účely.

5 Obsah Úvod... 7 Cíl studijní opory... 7 Použité symboly KOMPONENTY PC Základní terminologie Základy operačních systémů Základní programové vybavení počítače Struktura OS Základní funkce OS Přehled základních funkcí OS Správa ovladačů a periferních zařízení Správa procesů Správa dat správa paměti Správa dat souborové systémy Správa dat systémy souborů FAT, HPFS, FAT32 a NTFS Základní typy OS Dělení operačních systémů Přehled základních OS Základy příkazové řádky Příkazový řádek (shell) Charakteristika MS-DOS Architektura MS-DOS Práce v MS-DOS Adresáře Soubory Vlastnosti souborů Zástupné znaky Operační systémy I. Stránka 5

6 3.5 Příkazy MS-DOS Interní příkazy Externí příkazy Dávkové příkazy MS-DOS Proměnné v dávkových souborech Spouštění skriptů s parametry Větvení skriptů Cyklus Přílohy Seznam obrázků Seznam literatury Operační systémy I. Stránka 6

7 Úvod Úvod Vážení studenti, tento studijní text je určen pro studium v oboru IT (Informační technologie) a je doporučeným studijním materiálem v předmětu OS 1 (Operační systémy). Je úvodem do studia moderních informačních technologií a jeho cílem je rozšířit Vaše dosavadní znalosti v oblasti počítačů, konkrétně operačních systémů. V první kapitole se seznámíte se základní terminologií HW komponent, ze kterých se skládá osobní počítač. V následující kapitole se seznámíte se základním programovým vybavením osobního počítače a s jeho funkcí. V další části studijního textu získáte přehled o historii a vývoji operačních systémů Windows. Ve třetí části studijního textu najdete informace pro pokročilé informatiky ovládání počítače pomocí příkazové řádky. Text je psaný tak, aby poskytl nejen základní teoretické informace, ale aby byl zajímavý i pro hloubavého čtenáře. Text je doplněn poznámkami, ve kterých jsou uvedeny praktické zkušenosti a zajímavosti, které s tématem úzce souvisí. Vědomosti a dovednosti, které v průběhu studia získáte, Vám pomohou v přípravě pro složení mezinárodních certifikačních testů, dokládajících schopnost zvládat pokročilou práci s počítačem. Přeji Vám, aby se Vám s textem dobře studovalo. autor Cíl studijní opory Po prostudování a procvičení jednotlivých kapitol byste měli: umět charakterizovat základní komponenty osobních počítačů umět vysvětlit názvy a účel základních komponent osobních počítačů umět popsat strukturu a význam základního programového vybavení počítače umět popsat základní principy a podmínky pro bezpečnou práci s HW a SW umět vysvětlit účel operačního systému, jeho částí a základních funkcí umět popsat a porovnat různé typy operačních systémů umět vysvětlit kompatibilitu SW, HW požadavky a omezení znát základní příkazy příkazové řádky a jejich použití Operační systémy I. Stránka 7

8 Úvod Použité symboly Význam použitých symbolů Shrnutí Důležité pojmy Poznámka Příklad Kontrolní otázky Operační systémy I. Stránka 8

9 Kapitola 1. Komponenty PC 1 KOMPONENTY PC Po prostudování 1. kapitoly byste měli být schopni: - vyjmenovat základní komponenty PC - vysvětlit a popsat vlastnosti a použití základních komponent PC - vysvětlit a popsat vztah základních pojmů informatiky: bit, bajt, data, informace Shrnutí V této kapitole najdete výčet základních pojmů, které je třeba znát a se kterými se budete setkávat nejen při studiu, ale i v praxi. Znalost základních pojmů, jejich vlastností a použití je nezbytná i pro další studium v oboru IT. 1.1 Základní terminologie Následující seznam počítačových komponent není úplný, pro úvod do studia IT však bude nezbytným minimem. Tento seznam je seřazen abecedně a proto je potřeba si uvědomit, které pojmy spolu vzájemně souvisí. Adaptér pevného disku: Pro připojení pevných disků k počítači jsou používána různá rozhraní (PATA/IDE, EIDE, SATA, esata, SCSI). Nejrozšířenějším rozhraním je ATA (Advanced Technology Attachment), což je synonymum názvu IDE (Integrated Drive Electronics), které se s příchodem rozhraní SATA (Serial ATA) přejmenovalo na PATA (Paralel ATA). ATA rozhraní má maximální teoretickou přenosovou rychlost okolo 1 Gb/s = 133 MB/s (8 b = 1 B). Při připojení jednoho disku je rychlost dostačující, protože pevný disk dokáže pracovat s datovým tokem až 640 Mb/s = 80 MB/s. Na jeden ATA kabel je ovšem možné připojit dva disky, takže se rychlost ATA rozhraní stává úzkým místem při přenosu dat. Obrázek 1 HW komponenty Pevný disk (IDE a SATA rozhraní) Operační systémy I. Stránka 9

10 Kapitola 1. Komponenty PC BIOS (Basic Input Output System): je základní vstupně-výstupní systém počítače typu IBM PC a představuje vlastně takový firmware osobního počítače. Hlavní funkcí BIOSu je provést inicializaci a konfiguraci připojených hardwarových zařízení při startu počítače a následné zavedení operačního systému, kterému je pak předáno další řízení počítače. Programový kód BIOSu je uložen na základní desce v paměti typu ROM, EEPROM nebo v modernější flash paměti s možností jednoduché aktualizace (anglicky upgrade). Bit (binary digit): označuje binární číslici, dále již nedělitelnou hodnotu, která je vyčíslena jako pravděpodobnost jevu, že nastala nějaká skutečnost představuje jev s pravděpodobností 50 %. Proto nabývá logické hodnoty 0 (false) nebo 1 (true). Značí se malým písmenem b, nebo slovem bit. Bajt (Byte): je nejmenší adresovatelná jednotka entit (dat) tvořená osmi bity. V informatice je jeden bajt nejmenším objemem dat (slovo), se kterým počítač (resp. procesor) pracuje. Pokud dovede procesor v jednom kroku zpracovat 4 taková slova, hovoříme o 32bitovém procesoru. Obdobně 64bit procesory. Boot sector: je první fyzický sektor pevného disku (tzv. MBR Master Boot Record), který obsahuje malý program pro spuštění operačního systému. Celému procesu spuštění počítače říkáme bootování. Po stisku tlačítka RESET se spustí obdobný proces reboot (přeruší se napájení počítače a neuložená data jsou nenávratně ztracena, tzv. studený restart), během kterého se znovu provede test všech připojených zařízení (POST). Teplý restart provede znovuspuštění aplikací nebo operačního systému obvykle bez ztráty dat. Cache: je označení pro vyrovnávací paměť, která zajišťuje komunikaci mez dvěma různě rychlými komponentami počítače (např. mezi operační pamětí a procesorem), tzv. hardwarová cache, nebo se můžeme setkat se softwarovou, která využívá část operační paměti pro potřeby vyrovnávací paměti (např. při vypalování dat na DVD potřebuje vypalovací SW kontinuální dodávku dat). CPU (Central Procesor Unit): je centrální procesorová jednotka (procesor). Je hlavní výkonnou jednotkou počítače čte z paměti instrukce a zpracovává data podle požadavků programů (procesů). Hlavní parametry: Taktovací frekvence (gigahertz, GHz) udává rychlost zpracování instrukcí (MIPS, Million Instructions Per Seconds nemá v dnešní době paralelního zpracování instrukcí význam) Šířka slova: určuje počet bitů, které je CPU schopno zpracovat v rámci jedné instrukce, proto hovoříme o 8, 16, 32 a 64 bitových procesorech. Typ patice (Socket/Slot): je konektor na základní desce určený pro připojení procesorů (Socket 7 a Socket 370). Data: jsou v počítači zpracovávána binárně (logické 1/0). Pomocí nich jsou v počítači zakódovány informace např. o stavech, či procesech z reálného světa. Nejmenší jednotkou dat je jeden bit (b). Osm bitů je jeden bajt (B). Pozor! Data nejsou informace! Data se stávají informací ve chvíli, kdy je použijeme (např. v mozku). Poznámka Data NEJSOU informace, data NESOU informace! Př. 1.: Na DVD disku může být uloženo velké množství fotografií. Nebudete-li vědět, jaký program použít pro jejich zobrazení, zůstanou soubory jen bezvýznamnými daty. Př. 2.: Když se naučíte používat šifrovací nástroje, budete umět do obyčejných obrázků zakódovat i tajnou informaci, kterou jen těžko někdo rozluští Operační systémy I. Stránka 10

11 Kapitola 1. Komponenty PC Běžně se v praxi setkáte s dekadickou soustavou přepočtu jednotek dat na tisíce (např. 1 kb = Byte, 1 MB = kilobyte), ale pozornému studentovi neujde, že 10 3 = 2 10 (1 000 = 1024). Toto zkreslení se využívá především v obchodním světě, kdy si zákazník koupí 8 GB flashdisk a doma zjistí, že má po naformátování kapacitu bajtů, tedy 7,64 GB, místo 8 GB. Důvodem je, že operační systém počítá velikost binárně (2 n ), zatím co obchodníci dekadicky (navíc zaokrouhlují). Obdobně používají zavádějící jednotky i poskytovatelé internetu (používají SI jednotky). Proto Mezinárodní elektrotechnická komise (International Electrotechnical Commission, IEC) doporučuje pro mocniny čísla 2 používat nové předpony (viz Tab. 2). Faktor Název Symbol peta P tera T 10 9 giga G 10 6 mega M 10 3 kilo K 10 1 deka da (dk) 10-1 deci d 10-2 centi c 10-3 mili m 10-6 mikro µ 10-9 nano N Tabulka 1 Jednotky SI (dekadická soustava) Tento mezinárodní standard má číslo IEC a s platností od 1. dubna 2004 byl přejat i do systému českých technických norem (ČSN IEC ). Jednotka Značka Velikost v B (byte) Mocnina Kibibyte KiB Mebibyte MiB Gibibyte GiB Tebibyte TiB Pebibyte PiB Exbibyte EiB Zebibyte ZiB Yobibyte YiB Tabulka 2 Značky používané v elektrotechnice IEC (jednotky binární soustavy) Firmware: je malý řídící program, který zajišťuje chod a funkce určitého zařízení (např. zápis a čtení dat na pevný disk). Je vázané na konkrétní typ hardwaru. Většinou je uložen do pamětí typů ROM přímo výrobcem. Často bývá ukládán do přepisovatelných pamětí (EPROM), aby jej bylo možné v průběhu životnosti aktualizovat a doplnit tak nové funkce či vlastnosti. Grafická karta (Graphics Card): tvoří rozhraní mezi monitorem a počítačem (odesílá grafické informace z počítače do monitoru, kde se přetvářejí na obraz). Grafické karty jsou stále výkonnější a v současné době obsahují svůj vlastní procesor označený jako GPU (Graphics Processing Unit). Hlavní parametry: Rozlišení je schopnost zpracovat daný počet svislých a vodorovných bodů. Barevná hloubka je schopnost zpracovat určitý počet barev při daném rozlišení (2 16 high-color, 2 24 a 2 32 true-color). Obnovovací frekvence definuje, kolikrát za sekundu je grafická karta schopna obnovit obraz na CRT monitoru (LCD monitory nevyžadují překreslování obrazu bod zůstává osvětlený do doby, než dostane příkaz ke změně barvy). Operační systémy I. Stránka 11

12 Kapitola 1. Komponenty PC Hlavní zaváděcí záznam (MBR - Master Boot Rekord) je umístěn v prvním sektoru prvního pevného disku. Obsahuje informace o rozdělení pevného disku na diskové oddíly (Partition Table) a spouštěcí kód, kterým BIOS spustí operační systém. Pevný disk (Hard Disk Drive, HDD): pevný disk počítače se používá k trvalému uchovávání většího množství dat pomocí magnetické indukce. Předchůdcem pevných disků je magnetická páska a disketa. V současné době jsou největším konkurentem SSD disky a USB flash disky, které využívají stálé (nevolatelní) flash paměti. Hlavní parametry: Počet otáček za minutu (RPM, Revolutions Per Minute). Přístupová doba vyjadřuje čas, který potřebuje čtecí hlava k nastavení na danou pozici. Velikost diskové cache pro přechodné umístění dat mezi diskem a základní deskou. Adaptér pevného disku (komunikační rozhraní) pro připojení k základní desce. Rozměry disku udávají velikost ploten (standardní 3,5, přenosné počítače 2,5 ). Hardware: přeloženo z anglického jazyka znamená nářadí. Počítačový hardware označuje fyzicky existující technické vybavení počítače. IEE1394: Standard FireWire pro propojování zařízení s velkým objemem dat typicky videokamery. Vznikl v roce 1995 a jeho výhodou oproti dostupné USB 1.0 (12 Mb/s) byla vysoká přenosová rychlost 400 Mb/s. Dnes je USB 2.0 rychlejší (480 Mb/s), avšak standard FireWire se bude vyvíjet a očekává se rychlost až 1,6 Gb/s. Informace (z lat. in-formatio, utváření, ztvárnění) je v informatice výsledkem zpracování nebo organizace dat. Pojem Definice informace V současné době neexistuje jednotná definice informace. Liší se obor od oboru, ale podstata zůstává stejná: Laik: Informace je sdělitelný poznatek, který má pro někoho význam. Technik: Informace je výsledkem vyhodnocování smyslových vjemů, jejich zpracování a předávání. Psycholog: Informace je nematerielní (duševní) obraz reality v nějakém vědomí (inteligenci) a slouží k popisu reality v rámci tohoto vědomí. Informatik: Informaci tvoří kódovaná data, která lze vysílat, přijímat, uchovávat a zpracovávat technickými prostředky. Vědec: Informace je nehmotná skutečnost, související s uspořádáním. Odborník na ICT: Informace je zpráva nebo signál, která má vliv na příjemce (přináší něco nového, spouští nějaký proces, nebo mění jeho stav) opakem je šum. Poznámka Data a informace v praxi V reálném světě jsou nositelem informace taková data (zpráva, signál), která mají vliv na adresáta, přináší něco nového, spouští nějaký proces, nebo mění jeho stav. V počítači se ukládají do takového formátu (dat), aby byla později zpracovatelná (text, obrázek, video, databáze). Proto můžeme říct, že data měříme v bajtech (B), množství informace však měřit nedovedeme (proto není ani žádná jednotka). Př.: Dovedete spočítat, kolik informace je na fotografii? Každý odpoví jinak. To, na čem se ale asi všichni shodneme, je, že umíme informace ohodnotit (např. peněžním vyjádřením jejich ztráty). Operační systémy I. Stránka 12

13 Kapitola 1. Komponenty PC IRQ (Interrupt ReQuest): je signál, kterým požádá nějaké zařízení (např. klávesnice) procesor o přerušení právě probíhajícího procesu za účelem obsloužení jiné důležité činnosti. Paměť: je zařízení, které slouží pro uchovávání informací (formou binárně kódovaných dat). Paměti dělíme na vnější (papír, magnetická, optická a elektrická média) a vnitřní (ROM, RAM, CMOS, cache a registry). U různých typů počítačů se setkáme s následujícími druhy pamětí: ROM (Read Only Memory): paměť určená jen pro čtení (např. BIOS, firmware, atp.). RAM (Random Access Memory): paměť s libovolným (náhodným) přístupem umožňuje okamžitý přístup na libovolné místo (čtení/zápis). Běžně používaná jako operační paměť. CMOS: (Complementary Metal Oxide Semiconductor) paměť s nízkou spotřebou energie, ve které jsou uloženo základní HW nastavení počítače. Je to paměť typu RAM napájené baterií. Proto se v ní uchovávají data i po vypnutí počítače. cache: vyrovnávací paměť určená pro dočasné uložení dat. SAM (Sequential Access Memory): umožňuje pouze sekvenční přístup (např. pro zálohování dat pásková jednotka). CAM (Content-Addressing Memory): asociativní paměť, která je tvořena tabulkou hodnot a přiřazené paměťové adresy (cache, adresové tabulky v přepínačích switch, router, atp.). Periferní zařízení: umožňují data do počítače vkládat anebo je z něj získávat. Typickým vstupním zařízením je myš, klávesnice, touchpad, touchpoint, joystick, trackball, skener, fotoaparát, mikrofon atp. Mezi výstupní zařízení patří monitor, reproduktor, sluchátka, tiskárna, plotter, projektor aj. Některá zařízení slouží jak pro vstup dat, tak pro výstup současně. Například dotykové obrazovky, multifunkční tiskárny, faxmodemy, flash disky, externí pevné disky, CD/DVD/BD (R/RW), paměťové karty, datové pásky, atp. Obrázek 2 Konektory PS/2 Platforma: je pracovní prostředí (framework), které určuje z pohledu různých typů počítačů (Mainframe, server, stolní PC, notebook, PDA, mobilní zařízení) vzájemnou součinnost technického a programového vybavení (hardware a software). HW platforma je definována HW architektura počítače (např.: x86 Intel, AMD; PowerPC, ), které určuje použití příslušné SW platformy (32bit/64bit; operační systém; programovací jazyk). Mezi typické SW platformy patří operační systémy (Windows, Unix, Linux), nebo programovací jazyky s jejich knihovnami (Java,.NET, ). Porty: Sériové, nebo paralelní rozhranní (COM, LPT, PS/2, USB, FireWare, Game Port, apod.), ke kterému se připojuje vnější zařízení pomocí příslušného kabelu. Software: je programové vybavení počítače. Dělí se na systémový (firmware, operační systém) a aplikační (uživatelské programy). Velmi důležité je věnovat pozornost oblasti softwarových licencí, které umožňují používat nebo distribuovat software podle podmínek jejich tvůrce (Public domain, Freeware, Shareware, Open Source, komerční, ). Řadič (Controller): Zařízení převádějící příkazy v symbolické formě (instrukce) na posloupnost signálů ovládajících připo- Obrázek 3 HW komponenty porty jené zařízení. Jedná se tedy o zařízení, které řídí činnost jiného zařízení. Operační systémy I. Stránka 13

14 Kapitola 1. Komponenty PC Sběrnice (BUS): Soustava vodičů, která umožňuje přenos signálů mezi jednotlivými částmi počítače. Pomocí těchto vodičů mezi sebou jednotlivé části počítače komunikují a přenášejí data. Hlavní parametry: Druh: ISA, PCI, PCI-X, PCI-Express (PCIe), AGP, USB, SATA, SCSI, Šířka přenosu: 8, 16, 32, 64 bit Frekvence: MHz Rychlost (propustnost): bit/s, B/s Síťová karta (Network Interface Controller, NIC): zajišťuje propojení počítačů v počítačové síti. V počítačích má podobu samostatné karty (ISA, PCI, PCI-e, PCMCIA), nebo je integrovaná na základní desce. Hlavní parametry: Rychlost přenosu: Mbit/s, Gbit/s Typ sběrnice: ISA, PCI, PCI-e (notebooky: PCMCIA) Konektory: RJ-45, BMC, AUI Tabulka diskových oddílů (Partition table): obsahuje informace o diskových oddílech na disku (primární oddíly) a odkazy na další tabulky diskových oddílů (rozšířené diskové oddíly). Nemůže obsahovat více než čtyři záznamy. Hlavní tabulka diskových oddílů je umístěna v MBR pevného disku. USB (Universal Serial Bus): je univerzální sériová sběrnice pro připojení periférií k počítači. Nahrazuje dříve používané způsoby připojení (sériový a paralelní port, PS/2, Game Port apod.) pro běžné druhy periférií - tiskárny, myši, klávesnice, joysticky, fotoaparáty, modemy atd., ale i pro přenos dat z videokamer, čteček paměťových karet, MP3 přehrávačů a jiných externích zařízení. USB má již dvě vývojové verze, USB 1.1 (max. přenosová rychlost 12 Mbit/s) a USB 2.0 (480 Mbit/s, pokud je zařízení high-speed). USB 2.0 je zpětně kompatibilní s USB 1.1. Vstupní/výstupní zařízení (Input/Output Devices): viz periferní zařízení. Základní deska (Main board, Motherboard): je základní část počítačů. Slouží k propojení základních komponent (procesor, paměť, pevný disk, mechaniky, periferie) pomocí rozšiřujících slotů nebo kabelů do fungujícího celku a poskytuje jim elektrické napájení. Postupem času se funkce základní desky rozšiřovala v tom, že sama začínala obsahovat některé součástky počítače, které se do ní dříve musely zapojovat zvlášť (např. grafické, zvukové a síťové karty). Na základní desce je dále umístěna energeticky nezávislá paměť ROM, ve které je uložen systém BIOS, který slouží k oživení počítače. Hlavní parametry: Formát: základní specifikace, kterou dodržují všichni výrobci (rozměr, způsob upevnění, napájení, typy konektorů, atp.): AT, ATX. Čipset (chipset) je integrovaný obvod, který zabezpečuje většinu funkcí základní desky. Sběrnice je charakterizována rychlostí (v MHz), šířkou (udává počet bitů, které může najednou přenášet) a přenosovou kapacitou (množství údajů za sekundu). Operační systémy I. Stránka 14

15 Kapitola 1. Komponenty PC Pojmy Klíčová slova bit, bajt, data, informace, hardware, software, platforma procesor, paměť, cache, pevný disk, základní deska, grafická karta, síťová karta boot, BIOS, firmware, MBR, IRQ, port, řadič, rozhraní, sběrnice vstupní/výstupní zařízení Kontrolní otázky 1. Vyjmenujte základní komponenty osobního počítače. 2. Prostřednictvím Internetu dohledejte nejvýznamnější výrobce následujících komponent: a. Základní deska b. Procesor c. Pevný disk d. Paměť e. Grafická karta f. Síťová karta g. Skříň a zdroj napájení 3. Popište základní funkce a parametry uvedených komponent počítače a prostřednictvím Internetu dohledejte i jejich aktuální cenu. 4. Vysvětlete následující základní pojmy a jejich vztah k ostatním pojmům: a. bit b. bajt c. data d. informace Operační systémy I. Stránka 15

16 2 Základy operačních systémů Po prostudování 2. kapitoly byste měli být schopni: - vysvětlit a popsat základní programové vybavení počítače (BIOS, OS, ovladače) - vysvětlit účel BIOSu a popsat průběh spuštění PC - vysvětlit a popsat princip práce počítače (uživatel/hw/sw) - vysvětlit a popsat strukturu a funkce operačních systémů - vysvětlit a popsat princip správy procesů, periferií a dat - vyjmenovat a popsat základní principy ukládání dat na pevném disku - popsat a vysvětlit vlastnosti různých souborových systémů - vyjmenovat a popsat různé typy dělení operačních systémů a typy licencí Shrnutí V této kapitole se seznámíte se základním programovým vybavením počítače (BIOS, OS, ovladače), seznámíte se s účelem operačních systémů, vysvětlíme si základní princip fungování OS a seznámíte se s hlavními funkcemi a terminologií související s operačními systémy a jejich dělení. 2.1 Základní programové vybavení počítače Osobní počítače řady PC mají základní programové vybavení rozděleno do čtyř základních částí: 1. Firmware je programové vybavení, které je součástí elektronického zařízení. Tyto programy jsou uloženy (vypáleny) v nevolatilní paměti (ROM, PROM, EPROM, EEPROM, flash-rom) výrobcem dané zařízení. Firmware je program, který řídí chod a funkce daného zařízení na základě instrukcí programů z vyšší úrovně (BIOS, ovladače, OS, aplikace). 2. BIOS (Basic Input Output System) je základní částí programového vybavení PC. Je umístěna v paměti ROM (EPROM), která má k dispozici obvody CMOS-RAM, které jsou napájené baterií pro uložení nastavení základní konfigurace HW komponent (programem SETUP). BIOS slouží k tomu, aby počítač po zapnutí provedl inicializaci periférií a zavedl operační systém. Každý druh základní desky má vlastní variantu systému BIOS. V praxi se setkáte se dvěma základními typy: Award BIOS a AMI BIOS. Obrázek 4 Phoenix Award BIOS Obrázek 5 AMI BIOS Operační systémy I. Stránka 16

17 Postup inicializace PC BIOS provede po zapnutí PC inicializaci počítače v následujících krocích: 1. Spustí se BIOS, tj. BIOS se nahraje z ROM paměti do operační paměti RAM. 2. BIOS načte základní konfiguraci počítače z CMOS paměti (systémový čas, boot sekvence, atp.). 3. BIOS provede autonomní test počítače POST (Power On Self Test): je spuštěn diagnostický program, který kontroluje hardwarové komponenty a zároveň i jejich součinnost. 3. BIOS provede inicializaci komponent (nastavení frekvence sběrnice, komponent atp.). 4. BIOS spustí zavaděč program, který spouští OS (tzv. boot loader) z MBR záznamu. Poznámka Využití MBR při instalaci více OS na jednom disku Multiboot V prvním sektoru diskety, pevného disku, CD/DVD nebo jiného zařízení (USB flash disk) nemusí být uložen program pro zavedení operačního systému, ale může být nahrazen pokročilým zavaděčem, nebo multifunkčním správcem zavádění různých operačních systémů, který umožňuje uživateli prostřednictvím menu spustit libovolný nainstalovaný OS. Zneužití MBR Zavaděč může být nahrazen tzv. Rootkitem, což je program (technologie), která spustí operační systém tak, jako by jej spustil standardní boot loader, ale s úpravou spouštěcího procesu, který maskuje přítomnost zákeřných programů v počítači (viry, trojské koně, spyware). Operační systém ani uživatel o přítomnosti a činnosti těchto programů neví, pokud nemá počítač dostatečně chráněn antivirovým programem (detekce a odstranění) a firewallem (brání nežádoucí komunikaci). 3. Operační systém je spuštěn BIOSem z pevného disku nebo jiného média (Flashdisk, CD, DVD). Jeho hlavním úkolem je správa procesoru, správa ovladačů HW zařízení, správa dat (v paměti a na disku) a řízení (synchronizace) všech zařízení připojených k počítači. Skládá se z jádra a pomocných systémových nástrojů. OS poskytuje uživateli rozhraní (grafické, textové), které mu umožňuje ovládat počítač prostřednictvím externího zařízení (klávesnice, myš, dotykový display, mikrofon, ) a nainstalovaným aplikacím poskytuje standardní aplikační rozhraní (API Application programming Interface), které poskytuje aplikacím konkrétní služby operačního systému (komunikaci s HW komponentami, perifériemi, grafickým rozhraním, síťové služby, atp.). Ovladače zařízení (Device Driver) je software, který úzce spolupracuje s operačním systémem a umožňuje mu s konkrétním HW pracovat. Některé ovladače jsou součástí operačního systému, jiné jsou distribuovány s hardwarem (např. na CD-ROM). Ovladač zajišťuje řízení hardware a zároveň komunikuje se zbytkem operačního systému pomocí obecnějších rozhraní (API), které zajišťuje abstrakci tohoto zařízení. Programátoři aplikací tak může použít libovolný programovací jazyk pro komunikaci mezi aplikací a konkrétním HW zařízením prostřednictvím API rozhraní). Operační systémy I. Stránka 17

18 4. Aplikace (software) aplikační programy můžeme dělit podle HW platformy, typu použití, způsobů licencování, výrobců atp. Základním účelem aplikací je realizovat určitý způsob zpracování dat (informací) a instrukcí podle požadavků uživatele. Běžně se setkáme s textovými editory, tabulkovými procesory, prezentačními nástroji, grafickými editory, databázemi, komunikační programy pro práci v síti Internet (prohlížeč, poštovní klient, zasílání zpráv, atp.), multimediální aplikace, DTP, CAD, hry, vývojová prostředí (programovací nástroje), atd. Princip komunikace jednotlivých částí programového vybavení počítače: Aplikace Operační systém BIOS 9. Ovladače (Drivers) 10. Firmware (HW komponenty, periferie) 1. Obrázek 6. Princip práce počítače Uživatel zadává příkazy (1) prostřednictvím periferních zařízení (klávesnice, myš, dotykový display, hlas). Operační systém reaguje na příkazy uživatele (2) tak, že mu zprostředkovává prostřednictvím grafického uživatelského rozhraní aplikačních oken a kurzoru (šipka myši, textový kurzor) výsledek vykonávání příkazů (3), jako např. ulož soubor, spusť program, atp. Aplikační program (např. MS Word) může na základě interakce uživatele (klik na ikonu Ulož) požádat operační systém (4), aby pro něj provedl nějakou operaci (vytvořit soubor Dokument.doc). Většina aplikačních programů neumí pracovat přímo s HW komponenty. Místo toho požádají operační systém (4), nebo využijí speciální ovladače (5), dodávané výrobcem HW. Např. když budeme chtít skenovat obrázek přímo z prostředí PhotoShopu, musí aplikace použít speciální ovladač (Twain), který umí s daným zařízením komunikovat (10) řídit jej. Operační systémy I. Stránka 18

19 Některé specializované aplikace většinou ty, co jsou dodávané přímo výrobcem zařízení umí pracovat s HW zařízením přímo (6), např. software pro konfiguraci televizní karty. Operační systém může tedy s hardwarem komunikovat přímo (2), pokud s konkrétním typem HW daného výrobce a dané verze umí pracovat. To ale umí jen pro některé standardní typy hardwaru, které byly známy v době, kdy byl OS vyvíjen. Kdyby operační systém musel komunikovat se všemi HW součástkami počítače přímo, musel by být v okamžiku, kdy se na trhu objeví nová verze komponenty, operační systém přeprogramován a ten kdo si dané zařízení koupí, by si musel koupit tento nový operační systém, který s daným zařízením umí pracovat. Proto OS podporuje pouze základní typy HW zařízení největších výrobců (2). V ostatních případech využije OS služeb BIOSu (7) nebo speciálních ovládačů konkrétního zařízení (8). BIOS je program, uložený v ROM na základní desce, který umí pracovat s určitou skupinou hardware a tvoří tak mezivrstvu mezi OS a HW. BIOS se ovšem potýká se stejným problémem jako operační systém. Když se objeví nový hardware, který BIOS nepodporuje, musí se BI- OS aktualizovat, nebo použít specializovaný ovladač výrobce (8). Ovladač je program, který umí pracovat s daným hardwarem (10) a plnit požadavky operačního systému (8). Záleží však na výrobci HW zařízení, pro jaké verze OS ovladače vytvoří ne vždy však najdete ovladače starších zařízení pro nejnovější OS. Poznámka Princip práce počítače Princip práce je založen na stejném způsobu řízení, jako je tomu například v armádě. Nejvyšší generál (uživatel) vydá rozkaz (klikne myší) a tím se aktivuje činnost vyšších důstojníků (OS), kteří se postarají o předání řízení nižším důstojníkům (ovladače, BIOS). Všichni používají pro předávání zpráv standardní komunikační protokol (API). Řadový voják (hardware) však nikdy do přímého kontaktu s generálem v bitvě nepřijde. Každý správný generál je totiž během bitvy v bunkru. Proto počítač pod proudem nikdy neotvírejte! Pojem API programové rozhraní aplikací Při práci s počítačem využíváme tři základní programy: BIOS, Operační systém a ovládače. Každá úroveň programového vybavení komunikuje vždy se svým nejbližším (nadřízeným a podřízeným) okolím v jazyku a způsoby, které zná. Aby se jednotlivé části počítače dorozuměli, musí každý výrobce HW a SW dodržovat určité standardy a zpřístupnit příslušnou dokumentaci komunikačních rozhraní, tzv. API (Application Programming Interface). V současné době existují dva typy API rozhraní: POSIX pro uniové systémy a Windows API pro systémy s mikrojádrem (Windows). Operační systémy I. Stránka 19

20 Pojmy Klíčová slova Firmware, BIOS, ovladač, operační systém, API, aplikační program Kontrolní otázky 1. Vyjmenujte a popište jednotlivé části základního programového vybavení počítače. 2. Co je to BIOS a kde je v počítači uložen? 3. Popište postup inicializace počítače. 4. Vysvětlete princip interakce jednotlivých částí počítače (HW/SW/uživatel). 5. Vysvětlete význam programového rozhraní API. Jaké druhy programových rozhraní znáte? Operační systémy I. Stránka 20

21 2.2 Struktura OS Operační systém je zpravidla tvořen tzv. jádrem (kernel), standardními ovladači I/O zařízení (drivers), příkazovým procesorem (shell), souborovým systémem (file system), uživatelským rozhraním a podpůrnými systémovými programy (utility, překladače, atp.): jádro OS (tzv. kernel): po zavedení do paměti řídí běh počítače, poskytuje procesům služby a řídí správu prostředků a správu procesů. ovladače (drivers): programy pro standardní ovládání vstupních a výstupních zařízení. Použití strategie s ovladači umožňuje snadné základní nastavení technického vybavení. souborový systém (file system): způsob správy dat (pojmenování, struktura, způsob uložení, formát souborů, atp.). příkazový procesor (shell) programové prostředí, které umožňuje pokročilému uživateli zadávat příkazy přímo operačnímu systému uživatelské rozhraní: způsob práce s počítačem o příkazový řádek (CLI, Command Line Interface): uživatel má k dispozici prostředí terminálového okna, ve kterém zadává příkazy do příkazového řádku. Obrázek 7 CLI Command Line Interface o textové rozhraní (TUI, Text User Interface): přechodový mezistupeň mezi CLI a GUI, prostředí obsahuje okna, menu, tlačítka, posuvníky, rolovací seznamy a další prvky obvyklé v GUI. Obrázek 8 TUI Text User Interface o grafické rozhraní (GUI, Graphical User Interface): umožňuje ovládat počítač pomocí interaktivních grafických ovládacích prvků pomocí myši a klávesnice O b r ázek 9 GUI Graphical User Interface o další varianty UI: braillský řádek, hlasové rozhraní, ovládání pomocí gest (Kinetic User Interface KUI), snímání tělesných funkcí (biofeedback), atp. Operační systémy I. Stránka 21

22 Pojmy Klíčová slova CLI, drivers, file system, GUI, kernel, shell, TUI, user interface Kontrolní otázky 1. Vyjmenujte a popište jednotlivé části, ze kterých se skládá operační systém. 2. Vysvětlete význam a funkci jádra OS. 3. Vysvětlete účel programového prostředí shell. 4. Jaké tři základní typy uživatelských rozhraní znáte? Popište princip ovládání počítače u každého z nich. Operační systémy I. Stránka 22

23 2.3 Základní funkce OS Protože běžný uživatel nemůže řídit počítač přímo pomocí instrukcí (tak tomu bylo v dobách sálových počítačů), potřebuje uživatel prostředníka, který umí komunikovat s HW komponenty operační systém. Operační systém tak plní funkci prostředníka mezi uživatelem a hardwarem počítače a mezi uživatelem a programy. Operační systém dále řídí a koordinuje hardware a aplikační programy Přehled základních funkcí OS Správa ovladačů HW: OS má v sobě implementovány základní ovladače HW zařízení. Nemůže ale obsahovat ovladače všech HW zařízení, která existují. Stejně tak programátoři operačního systému v době vzniku OS nemohou vytvořit ovladače pro hardware, který ještě neexistuje. Proto obvykle bývají ovládače součástí dodávky hardwaru a je nutné je dodatečně doinstalovat operační systém pak bude umět HW používat. Správa periférií: OS komunikuje s periferními zařízeními, která jsou připojená prostřednictvím různých komunikačních portů (USB, COM, LPT, ) a řídí jejich činnost. Správa procesů (aplikací): Operační systém přiděluje procesorový čas procesům (programům), po který je jim umožněno využívat CPU (zpracovávat data, reagovat na požadavky uživatele, atp.). OS rozhoduje o tom, kdy a kolik času přidělí jednotlivým programům pro běh a zároveň musí zajistit, aby se na každého dostalo. Synchronizace HW a SW: Jádro OS (kernel) řídí komunikaci aplikací s vnějšími zařízeními a zajišťuje součinnost vnitřních komponent (RAM, HDD, CPU, GPU). Správa uživatelského rozhraní: Uživatel může zadávat příkazy operačnímu systému pouze pomocí periferních zařízení (klávesnice, myš, mikrofon) prostřednictvím různých uživatelských rozhraní (User Interface). Uživatel tak může prostřednictvím klávesnice, myši a GUI (grafické prvky: menu, ikony, tlačítka, posuvníky, formuláře, atp.) snadno zadávat příkazy OS (spusť aplikaci, ulož data, zkopíruj soubor, atp.). Správa dat: Systém souborů: Data jsou v počítači uchovávána v souborech. Soubory jsou uložené ve stromové struktuře adresářů (složek) a o každém takovém souboru nebo adresáři eviduje OS detailní informace (datum a čas vytvoření, poslední změnu a mnohé další vlastnosti atributy). Správa dat zahrnuje vytváření nových souborů a složek, měnění obsahu, odstraňování, kopírování a přesouvání dat. Všechny tyto operace a informace musí zajistit operační systém, který se stará o celý souborový systém (systém souborů). Operační paměť: Další velkou oblastí správy dat je způsob práce s operační pamětí. OS přiděluje prostor v operační paměti jednotlivým procesům, řídí její využití a zároveň je tím, kdo může v případě nutnosti přidělený prostor konkrétnímu procesu odebrat. Operační systémy I. Stránka 23

24 Pojmy Klíčová slova Správa ovladačů, správa procesů, správa periferií, správa dat. Uživatelské rozhraní. Kontrolní otázky 1. Vyjmenujte a vysvětlete čtyři základní funkce operačního systému. 2. Vysvětlete způsob uložení souborů v počítači (organizaci dat). 3. Popište způsob práce se soubory a adresáři Správa ovladačů a periferních zařízení PC komunikuje s okolím prostřednictvím periferií vstupní a výstupní zařízení (devices). Běžící procesy v počítači komunikují s připojeným periferním zařízením pomocí ovladačů (drivers). Úkolem ovladače je tedy umožnit komunikaci jednotlivým procesům (aplikacím) s příslušným zařízením. Ovladače tak umožňují aplikacím získávat nebo předávat data do nebo ze zařízení (skenování/tisk/fax), řídí jich činnost (síťová komunikace), nebo jejich prostřednictvím ovládat jiná zařízení (spuštění klimatizace atp.). Konfigurace zařízení Pro správnou funkčnost musí mít každé zařízení přidělené systémové prostředky: 1. IRQ (Interrupt Request) Level (číslo úrovně priority): pomocí IRQ požádá zařízení o přidělení procesorového času. Například při stisku klávesy na klávesnici je vyvoláno přerušení IRQ DMA (Direct Memory Access) Channels (kanál přímého přístupu do paměti): některá zařízení umožňují snížit zatížení procesoru tím, že požádají o přímý přístup do paměti a nevyžadují při přenosu dat součinnost procesoru (data tečou přímo a CPU se může věnovat jiným procesům). Mezi taková zařízení patří například zvuková karta, pevné disky, CD/DVD mechaniky. 3. I/O adresa (Input/Output Address): OS přidělí adresy vstupu a výstupu každému zařízení, které je využíváno zařízením ke komunikaci s CPU (vyhrazený paměťový prostor). Přidělování těchto systémových prostředků se provádělo dříve manuálně. Administrátor musel nakonfigurovat každé zařízení samostatně, což bylo dosti pracné a časově náročné. Často během používání počítače docházelo ke konfliktům zařízení a problémům s ovladači, když si uživatel připojil další zařízení, nebo když si nainstaloval do počítače novou kartu. Tyto problémy plně vyřešila technologie Plug & Play ( Zapoj a hraj ), která spočívá v tom, že výrobci přídavných karet přidávají ke svým kartám takové elektronické obvody, které umožňují automatickou instalaci a konfiguraci zařízení bez zásahu uživatele (OS přiřadí IRQ, DMA, I/O adresy). Operační systémy I. Stránka 24

25 Princip komunikace Zařízení požádá o přidělení procesorového času vysláním signálu IRQ (Interrupt ReQuest, požadavek na přerušení) do řadiče přerušení, který následně upozorní procesor. Podle přidělené důležitosti (číslo priority) CPU zpracuje požadavek ihned, nebo jej odloží. Způsob přidělování zařízení: Vyhrazené zařízení přístup má jen jeden proces (sdílení lze řešit virtualizací). Sdílené zařízení rozdělené na samostatné části (multifunkční kopírka: fax, sken, tisk). Společné zařízení sériové nebo paralelní využívání (např. modem: přístup na internet). Ovladače zařízení nainstalované v počítači můžeme zobrazit pomocí nástroje Správce zařízení. Jeho prostřednictvím můžeme aktualizovat ovladače zařízení, zkontrolovat, zda hardware správně funguje, nebo upravit jeho nastavení. Správce zařízení spustíte klepnutím na tlačítko Start, následně na příkaz Ovládací panely a zde na položku Systém a údržba. Zde najdete nástroj Správce zařízení. Obrázek 10 Správce zařízení (přidělení prostředků) Operační systémy I. Stránka 25

26 Pojmy Klíčová slova Požadavek přerušení, způsoby sdílení. Kontrolní otázky 1. Vysvětlete roli ovladačů v procesu komunikace OS s periferním zařízením. 2. Vysvětlete a popište způsob ovládání počítače prostřednictvím myši. 3. Vysvětlete roli GUI při konfiguraci a komunikaci s periferním zařízením Správa procesů V současné době již začíná být standardem osazení PC vícejádrovým procesorem. Většina stávajících PC je však vybavena jedním jednojádrovým procesorem a běh více aplikací současně se v těchto systémech realizuje fiktivně rychlým přepínáním běžících úloh. Dnešní OS tak umožňují spouštět více programů v jeden okamžik, nebo dovolují spuštěnému programu (úloha, rodičovský proces, task) spouštět další paralelní procesy podprogramy. Všechny musí běžet najednou, ale ve skutečnosti dochází k velmi rychlému střídání přidělení času procesoru jednotlivým procesům. Střídání je tak rychlé, že má uživatel dojem, že běží současně. V tomto případě, kdy je v jednoprocesorovém počítači spuštěno více úloh a operační systém umí řídit jejich běh rychlým přepínáním úloh, nazývá se tento proces multitasking. Druhy multitaskingových OS: Přepínáním programů Task switching (střídání úkolů na žádost uživatele). Kooperativní multitasking procesy na popředí a na pozadí si samy předávají v pravidelných intervalech řízení (což může vést k zatuhnutí systému). Preemptivní multitasking OS v pravidelných intervalech přerušuje jednotlivé úlohy a vyhodnocuje jejich požadavky, přičemž není problémem pro OS zatuhnutí jednoho procesu (=> systém se nezhroutí). Poznámka Multithreading vícenásobný (souběžný, paralelní) běh téhož programu. Program může mít více vláken (podúloh, threads) a může tak vykonávat více úloh (různý programový kód) nad stejnými daty (filtrování, tisk, výpočet). Operační systémy I. Stránka 26

27 Stavy procesů Aktivní (Running) má přidělen procesorový čas. Připraven (Ready) čeká, až bude naplánován, není volný procesor. Přerušen (Blocked) čeká na dokončení jiného procesu. Plánován (Scheduled) proces je pozastaven na určitou dobu, pak se spustí. Čeká (Wait) proces čeká na nějakou událost, splnění podmínky. Uspán (Suspended) proces byl z nějakého důvodu kernelem uspán. Mrtvý (Dead) proces neodpovídá. Výhody multitaskingových OS: Možnost okamžitého přechodu k jiné úloze bez nutnosti ukončení předchozí. Usnadnění funkce ovladačů. Usnadnění kooperace mezi programy (např. kopírování přes schránku ve Windows). Lepší využití výkonu systému (CPU). Nevýhody multitaskového OS: Současný běh více programů jednotlivé programy zpomaluje. Složitost vyšší požadavky na HW, vyšší nároky na OS mohou vést až k zahlcení systému. Zvýšení rizika ztráty dat. V situaci, kdy je v počítači více procesorů, nebo má procesor více jader, může operační systém provozovat reálný multitasking tzv. multiprocessing. V operačním systému Windows můžeme zobrazit běžící procesy pomocí aplikace Správce úloh, který poskytuje informace o spuštěných aplikacích, procesech a službách, které jsou aktuálně spuštěné a o stavu a vytížení CPU, stavu sítě a právě připojených uživatelích. Pomocí Správce úloh lze monitorovat výkon počítače nebo vynutit ukončení programu, který neodpovídá. Správce úloh zobrazíte klepnutím pravým tlačítkem myši na hlavní panel a potom klepnutím na příkaz Správce úloh. Nebo kombinací kláves CTRL+SHIFT+ESC. Obrázek 11 Správce procesů Operační systémy I. Stránka 27

28 Poznámka Multiprocessing víceprocesorové konfigurace. Největší předností více procesorů, nebo procesorů s více jádry je schopnost počítat paralelně více úkolů v jednom kroku. Čím větší počet, tím lepší je tento předpoklad. Ovšem jen málo uživatelů využívá skutečný multitasking/multiprocessing. Pokud máme vedle sebe otevřeno pět aplikací, ještě to neznamená, že procesor je zatěžován pěti programy najednou. Většinou pracujeme v daný čas v jedné aplikaci, zatímco ostatní čekají. Pro tento případ by vystačil i zcela obyčejný jednojádrový čip. Pojmy Klíčová slova Multitasking, multiprocessing, multithreading. Stavy procesů. Kontrolní otázky 1. Vysvětlete pojem multitasking. 2. Jak ovlivní zpracování více paralelně běžících programů osazení počítače vícejádrovým procesorem? 3. Popište situace, v jakých se může spuštěný proces nacházet. 4. Popište výhody a nevýhody multitaskingových OS Správa dat správa paměti Data, se kterými procesor právě nepracuje, jsou dočasně uložena v operační paměti RAM. Aby se procesy při přidělování paměti nedostaly do konfliktu, řídí přidělování paměťového místa správce paměti: Správce paměti přiděluje paměť jednotlivým procesům, udržuje informace o paměti, která je volná a která je obsazená, řadí uvolněnou paměť (bloky vizualizace, fragmentace, segmentace, stránkování), odebírá paměť procesům, chrání přidělenou paměť před zásahy jiných procesů. Metody přidělování paměťového prostoru: 1. Stránkování paměť je rozdělena na velké úseky stejné velikosti, které se nazývají stránky. 2. Segmentace paměť je rozdělena na úseky různé velikosti nazývané segmenty. Operační systémy I. Stránka 28

29 Při přidělování a odebírání paměťového místa však dochází k fragmentaci. Volba malé velikosti stránky vede sice ke zmenšení vnitřní fragmentace (méně se plýtvá nevyužitým místem uvnitř alokovaných oblastí), nevýhodou ale je veliká tabulka stránek, která zabírá více operační paměti a je náročnější na prohledávání tabulky stránek při odstraňování stránky z paměti. U velkých stránek nastávají opačné problémy. Virtuální paměť Protože velikost operační paměti je omezená, využívá operační systém pro zvětšení paměťového prostoru speciální diskový soubor, který se nazývá virtuální paměť. Správce paměti pak rozhoduje i o tom, která paměťová stránka bude zavedena do vnitřní paměti RAM a která bude odložena do odkládacího prostoru (swap file). Alokované místo na disku se tak využívá pro uvolnění místa v RAM paměti v případě nedostatku místa (malé kapacitě RAM), nebo v případě zatuhnutí nebo uspání procesu, kdy jsou data i program přesunuty do virtuální paměti (swap file). Rychlost přístupu do odkládacího souboru je podstatně pomalejší než do RAM, ale umožňuje podstatně zefektivnit práci s malou operační pamětí, čímž se zrychlí běh celého systému. V případě, že je RAM dostatečně velká, je naopak používání odkládacího souboru brzdou celému systému. Velikosti virtuální paměti se nastavuje v okně Vlastnosti systému, na kartě Upřesnit. Obrázek 12 Nastavení virtuální paměti Operační systémy I. Stránka 29

30 Pojmy Klíčová slova Segmentace, stránkování, fragmentace, virtualizace. Kontrolní otázky 1. Jakým způsobem řídí operační systém komunikaci aplikací s periferními zařízeními? 2. Popište a vysvětlete funkci správce paměti. 3. Jaké jsou metody přidělování paměťového prostoru? 4. Vysvětlete důvody virtualizace paměti. 5. Kdy dochází k fragmentaci paměťového prostoru? Operační systémy I. Stránka 30

31 2.3.5 Správa dat souborové systémy Princip ukládání dat na pevném disku Pevný disk (HDD Hard Disk Drive) je médium pro uchování dat s vysokou kapacitou záznamu. Uvnitř pevného disku je několik nad sebou umístěných rotujících kotoučů plotny, jejichž povrch je tvořen vrstvou feromagnetického materiálu. Na tyto plotny se ukládají data (každá plotna má dva povrchy) elektromagnetickými impulsy. Plotny se po celou dobu provozu počítače otáčí a díky tomuto otáčení se v okolí ploten vytváří tenká vzduchová vrstva, po níž se pohybují čtecí/zapisovací hlavy (vzdálenost hlav od disku je asi 0,3 až 0,6 mikronu), na které jsou data (1, 0) zapisována pomocí změn magnetického toku (v médiu se vytvářejí tzv. elementární magnety). Každá tato změna (elementární magnet) se projevuje při čtení jako impuls. Každá plotna tak obsahuje data, která jsou zapsaná do soustředných kružnic stop. Stopy (tracks) jsou soustředné kružnice na plotně, číslované od 0 (nultá stopa je u vnějšího okraje). Každá stopa je rozdělena do sekto- sektor rů (sectors). Sektor je základní adresovatelnou jednotkou pevného disku. Je to elementární jednotka o velikosti 2 8 = 512 bajtů. Dnešní moderní stopa disky už mají velikost sektoru 4 KB. Sektory jsou výseče kružnic (stop). Protože by byly sektory u vnějšího okraje mnohonásobně větší než sektory blízko středu disku (vždy Obrázek 13 Uložení dat na HDD se pracuje jen s celými sektory mechanika disku je neumí rozdělit na menší části vždy se ale do sektoru uloží jen 512 B dat), u novějších disků je na vnějších stopách více sektorů než na stopách vnitřních. Sektory jsou číslované od 1. První sektor je na stopě 0, druhý na stopě 1, atd. Válec (cylinder) je tvořen všemi stopami o stejném poloměru. Množina stop na všech plotnách se stejným číslem se u pevných disků označuje jako válec (cylinder). Válec je tedy tvořen průmětem všech stop přes všechny plotny, které jsou přístupné bez pohybu čtecí hlavičky. Fyzická adresace sektorů CHS (Cylinder-Head-Sector, válec-povrch-výseč) se používala u nejstarších disků. Do kapacity cca 100 MB totiž odpovídala geometrie disku počet válců, hlav a sektorů na stopu. U novějších disků se však již nepoužívá konstantní počet sektorů na stopu, aby se lépe využila plocha disku (vnější stopy mají více sektorů). Proto je adresování CHS u dnešních moderních disků nahrazeno modernějším adresováním LBA (Logical Block Addressing), které čísluje sektory na disku lineárně a proto není třeba znát fyzickou geometrii disku. Fyzická adresa dat tak závisí na typu disku. Je to buď *povrch, stopa, sektor+ u novějších disků, nebo u starších *cylindr, hlava, sektor+. S touto adresou však operační systém přímo nepracuje. Operační systém pracuje s logickou adresou tzv. klastrem. Klastr (Cluster) vzniká při formátování logickým sloučením fyzických sektorů. Může tak být tvořen různým počtem sektorů (2 n, kde n=0..5). Vzniklé klastry mohou tedy dosahovat velikostí: 512B, 1kB, 2kB, 4kB, 8kB, 16kB, 32kB, i větší. Klastry jsou tedy alokační jednotky, číslované lineárně přes celý disk (sektory s nižším číslem jsou u okraje, s vyšším číslem u středu disku). Klastry se vytváří při procesu formátování disku při vytváření souborového systému. Operační systémy I. Stránka 31

32 Nízkoúrovňové formátování provádí zápis značek pro sektory a stopy na magnetickém médiu (pevný disk, disketa, apod.). Dnes jej provádí pouze výrobce disku. Vysokoúrovňové formátování je procesem, při kterém se vytváří tzv. souborový systém, který určuje, jakým způsobem budou data na médiu uložena (např. počet sektorů na klastr). Vytvoří všechny nezbytné datové struktury (alokační tabulky, atp.) a v případě, že jde o systémový disk, zapíše i boot loader do MBR a do vytvořeného systému souborů uloží základní systémové soubory pro spuštění operačního systému. Hlavní zaváděcí záznam MBR (Master Boot Rekord) je umístěn v prvním sektoru pevného disku. Obsahuje informace o rozdělení pevného disku na diskové oddíly (Partition Table) a spouštěcí kód (boot loader), kterým BIOS spustí operační systém. MBR nemůže obsahovat více než čtyři záznamy (max. 4 oddíly). Maximální adresovatelný prostor na discích s hlavním spouštěcím záznamem MBR je 2 TB. Tabulka diskových oddílů (Partition table) se vytváří před vytvořením souborového systému. Pevný disk můžeme rozdělit různým způsobem. První možností jsou základní typy oddílů (Partitions primární a rozšířené), nebo dynamické svazky (Volume). Každý oddíl a svazek lze formátovat jiným souborovým systémem a následně mu přidělit písmeno jednotky (Drive). Hlavní tabulka diskových oddílů je umístěna v MBR pevného disku. Ostatní tabulky jsou v prvním cylindru diskového oddílu. Oddíl (Partition) je část pevného disku počítače, se kterou se pracuje v operačním systému jako se samostatným diskem. Rozlišují se základní (Primary Partition) a rozšířené oddíly (Extended Partition). Základní oddíly (Primary Partition) mohou být maximálně 4 na jednom disku (viz omezení MBR), z nichž alespoň jeden je označen jako bootovací. Rozšířený oddíl (Extended Partition) se používá v případě potřeby více než čtyř diskových jednotek (souborových systémů). Rozšířený oddíl může být na disku jen jeden a je v něm možné vytvořit neomezený počet logických jednotek, které lze formátovat různými souborovými systémy a přidělit jim písmeno jednotky. Oddíl vytvořený v rozšířeném oddíle jednoduchého disku se nazývá logická jednotka. Logický oddíl lze rovněž formátovat a přiřadit mu písmeno jednotky (ale nelze do něj nainstalovat Windows). V každém oddíle (základní/rozšířený) může být zaváděcí oblast Boot rekord a spouštěcí systémové soubory. Pak se takovému oddílu říká systémový oddíl (System Partition/System Volume). Oddíl, který obsahuje celou instalaci operačního systému, se nazývá bootovací oddíl (Boot Partition/Boot Volume) a může být na jiném disku než je systémový oddíl (pozn.: nejde o překlep terminologie je zde paradoxně naruby). Pamatujte Běžné disky a svazky Diskové oddíly na discích s MBR (hlavní spouštěcí záznam) Tento typ rozdělení pevného disku se používá v počítačích typu IBM PC od roku Disk může obsahovat primární oddíly, rozšířené oddíly nebo logické jednotky. Diskové oddíly s tabulkou GPT (GUID Partition Table, tabulka oddílu GUID) S příchodem velkých disků vznikl požadavek na nový standard GPT (GUID Partition Table). Je součástí nové specifikace UEFI (Extensible Firmware Interface), který nahrazuje BIOS. GPT umožňuje adresovat disky až do 18 exabajtů a rozdělit je až na 128 primárních oddílů (nepodporuje rozšířené ani logické oddíly). Dnes GPT podporují všechny 64bit systémy (Linux, MAC OS X, Windows Vista a novější) Operační systémy I. Stránka 32

33 Svazek (Volume) základní typy používaných dynamických svazků: Dynamické disky nabízejí vlastnosti, které u běžných disků se základními typy oddílů nejsou k dispozici. Například možnost vytvářet svazky uložené na více discích (rozložené a prokládané svazky) a možnost vytvářet svazky odolné proti chybám (zrcadlené svazky a svazky typu RAID-5). Všechny svazky na dynamických discích se nazývají dynamické svazky a bez ohledu na to, zda se používá hlavní spouštěcí záznam (MBR) nebo zda se jedná o disk GPT (GUID Partition Table), lze na tomto disku vytvořit až dynamických svazků (doporučený počet je však 32). jednoduchý svazek (Simple Volume) je vytvořený na jednom fyzickém disku přes jeden nebo libovolný počet oddílů NTFS rozložený svazek (Spanned Volume) je jednoduchý svazek (Vol 1), rozšířený přes několik fyzických disků (max. 32) Obrázek 14 Jednoduchý svazek prokládané svazky (Stripped Volume, RAID-0) ukládají data střídavě a rovnoměrně na dva nebo více fyzických disků. Tyto svazky značně urychlují přístup k datům Obrázek 15 Rozložený svazek zrcadlené svazky (Mirrored Volume, RAID-1) vylučující chyby ukládáním dat ve dvou kopiích na dva fyzické disky (zrcadlení, duplikace). Zrcadlem je jiný fyzický disk. Zrcadlený svazek je pomalejší než svazek RAID-5 při operacích čtení, ale je rychlejší při operacích zápisu. Obrázek 16 Prokládané svazky (RAID-0) Obrázek 17 Zrcadlené svazky (RAID-1) prokládaný svazek s paritou (RAID-5) je typ svazku, který k vyloučení chyb ukládá kontrolní součty (# parita), kterým prokládá obsah přes tři nebo více fyzických disků. Když havaruje jeden fyzický disk, je možné znovu Obrázek 18 Diskové pole typu RAID-5 rekonstruovat data ze zbývajících dat a parit. Svazky RAID-5 jsou dobrým řešením pro prostředí s počítači, kde je základním požadavkem vysoká bezpečnost a rychlost čtení dat. Operační systémy I. Stránka 33

34 Pamatujte Dynamické svazky RAID (Redundant Array of Inexpensive/Independent Disks) 1. RAID je vícenásobné diskové pole laciných/nezávislých disků. 2. Zrcadlené svazky a svazky typu RAID-5 jsou odolné proti chybám a jsou k dispozici pouze v počítačích, které používají operační systém Windows Server, Linux, Unix. Další typy správy diskového prostoru: LVM (Logical Volume Management), APM (Apple Partition Map). Souborový systém v sobě zahrnuje metody a struktury dat, ve kterých jsou informace o souborech a adresářích. Dnešní souborové systémy jsou velmi komplikované a zahrnují v sobě i systémy pro řízení vlastnických práv, komprimaci, šifrování, atp. U některých operačních systémů je systém souborů natolik flexibilní, že zahrnuje i možnost připojit hardwarová zařízení do struktury adresářů (Linux/Unix adresář /dev), čímž se následně zjednodušuje jejich mapování v systému a správa. Základními prvky souborového systému jsou: soubory adresáře (soubor, obsahující namísto dat seznam souborů v něm umístěných), bezpečnost, sdílení souborů, šifrování, komprimace, virtualizace, atp. Souborové systémy můžeme členit podle různých kritérií. Zde je uveden přehled podle odolnosti vůči ztrátám: 1. Souborové systémy s okamžitým zápisem (FAT, FAT32) Pokud chce nějaká aplikace zapisovat na disk a zároveň probíhá jiná disková operace, musí počkat. Výhodou je bezpečnost (data nemohou být přepsána jiným procesem), nevýhodou je snížení výkonnosti (čekání). 2. Souborové systémy s opatrným zápisem (HPFS v OS/2) Rozdělí zápis do posloupnosti operací. Když dojde k selhání zápisu, data zůstanou konzistentní. Svými výhodami a nevýhodami tento souborový systém stojí mezi 1. a Zotavitelné (žurnálovací) souborové systémy žurnálovací systém zapisuje změny do speciálního záznamu nazývaného žurnál (journal), který je obvykle realizován jako cache (log). Jeho účelem je ochrana data na pevném disku před ztrátou integrity v případě neočekávaných havárií (výpadek napájení, neočekávané přerušení vykonávaného programu, pád systému apod.). po pádu systému se prochází log a opakují se všechny dokončené transakce (aby bylo jisté, že byly zapsány z této cache paměti na disk) a ruší všechny nedokončené. Používají se kontrolní body v pravidelných časových intervalech (místo, kdy jsou vždy všechny transakce provedeny). Od tohoto bodu lze provést zotavení. Žurnálování podporují: o Windows NT a novější NTFS o Mac OS X HFS+ o Linux ext3, ext4, ReiserFS, XFS (od firmy SGI), JFS (od firmy IBM), o Solaris ZFS Operační systémy I. Stránka 34

35 Pamatujte Sektor Sektor je základní adresovatelnou jednotkou pevného disku. Je to elementární jednotka diskové kapacity o velikosti 512 bajtů. Klastr Sektory jsou během formátování slučovány do větších jednotek zvaných cluster o velikosti: 512 B, 1 kb, 2 kb, 4 kb,, 32 kb Kapacita disku Kapacita dnešních disků je tvořena množinou "lineárně" po sobě jdoucích sektorů (LBA adresace), přestože jsou fyzicky organizovány trojrozměrně podle schématu CHS (plotnastopa-sektor). Pojmy Klíčová slova CHS, klastr, plotna, sektor, stopa, válec, MBR,GPT, oddíl, svazek, RAID. FAT, FAT32, HPFS, NTFS, HFS+, ext3, ext4, ReiserFS, XFS, JFS, ZFS. MS Windows, Unix, Linux, Mac OS. Formátování, souborový systém, žurnálování. Kontrolní otázky 1. Definujte rozdíl mezi pojmy sektor a klastr. 2. Vysvětlete rozdíl adresace CHS a LBA. 3. Popište princip ukládání dat na pevný disk se základními diskovými oddíly. Jaká omezení přináší disky s MBR? Jak tato omezení vyřešit? 4. Popište a vysvětlete princip ukládání dat na pevné disky s dynamickými oddíly. 5. Vyjmenujte základní prvky souborového systému. 6. Jaké druhy souborových systémů z hlediska odolnosti proti ztrátám znáte? Operační systémy I. Stránka 35

36 2.3.6 Správa dat systémy souborů FAT, HPFS, FAT32 a NTFS Systém souborů FAT (File Allocation Table) FAT12 Souborový systém FAT12 byl vytvořen v roce 1980 s první verzí OS QDOS (předchůdce MS-DOS). Tato první verze FAT používala 12 bitů pro adresaci sektoru (což omezovalo velikost disku na 2 MB) a neuměla podadresáře. V současné době se souborový systém FAT12 používá už jen na disketách. FAT12 dokáže adresovat nejvýše 2 12 klastrů (to je 4096 klastrů, při formátování je proto na disketě 1 cluster = 1 sektor, celkem je zde cca 3000 sektorů). FAT16 V roce 1983 vydal Microsoft verzi FAT16 používající 16 bitů na adresaci klastru, který mohl být tvořen jedním nebo více sektory (pouze mocniny dvou, max. však 64 velikost 32 KB). Maximální velikost logického disku tak může být 32 MB až 2 GB. Systém souborů FAT16 je nejjednodušší systém souborů podporovaný systémem Windows. Tento systém souborů je charakterizován alokační tabulkou souborů (FAT), která je skutečnou tabulkou umístěnou na vrcholu svazku. Pro strukturu adresářů systému souborů FAT16 neexistuje žádné uspořádání a souborům je přiděleno první volné místo na jednotce. Systém souborů FAT16 používá tradiční konvenci vytváření názvů souborů typu 8.3. Veškeré soubory jsou vytvořeny pomocí znakové sady ASCII: název souboru nebo adresáře může mít délku až osm znaků, následuje tečka (.) jako oddělovač a přípona o délce až tři znaky. Název musí začínat písmenem nebo číslicí a může obsahovat libovolné znaky kromě následujících:. " / \ [ ] : ; =, Systém souborů FAT16 má délku klastru nejméně 2 sektory. To znamená, že i malý soubor na disku zabírá nejméně 1 kb (velikost zabraného místa je zaokrouhlována nahoru na celé klastry). Objekty (soubory, adresáře) v souborovém systému FAT16 se skládají z položek o délce 32 B: název souboru (adresáře) 8 B, přípona 3 B, pokud položka představuje název kořene disku (root label), je pro tento název vyhrazeno 11 (8+3) B, atributy 1 B, jednotlivé bity znamenají xxadlshr, kde x volné bity, nepoužívají se, A k archivaci, D directory adresář, L label název disku, atributům předchází samotný název, S systémový, H skrytý, R pouze pro čtení. čas a datum vytvoření a posledního přístupu 10 B, čas a datum poslední změny (zápis do souboru nebo změna struktury adresáře) 4 B, první klastr souboru nebo adresáře 2 B, délka souboru nebo adresáře 4 B. Operační systémy I. Stránka 36

37 Vlastnosti FAT16 Tabulka FAT16 je schopna pojmout max = bitových záznamů (každý záznam ukazuje na konkrétní klastr), proto je FAT16 použitelná pro diskové oddíly do velikosti 2 GB (maximální velikost klastru 32 kb, tedy 64 sektorů na klastr). Pro Windows NT a 2000 je maximální adresovatelný prostor 4 GB dat (128 sektorů na klastr). počet klastrů sektorů na klastr velikost klastru max. velikost diskového oddílu B 32 MB kb 64 MB kb 128 MB kb 256 MB kb 512 MB kb 1 GB kb 2 GB kb 4 GB Tabulka 3 FAT16 Princip čtení dat ve FAT16 Informace o umístění (alokaci) souborů jsou uloženy ve FAT16 tabulce, která obsahuje index rozmístění dat na disku. Požadovaná data se čtou z klastrů (sektorů), ale informace o "souřadnicích" cílového klastru se čtou z FAT16 tabulky, která je na počátku disku. Při čtení větších souborů je tento princip velmi neefektivní, neboť hlavička disku musí po přečtení každého klastru přejet na počátek, kde je FAT16 tabulka, aby systém zjistil, kde pokračuje další část souboru. Pokud se má načíst do paměti datový soubor, je nejdříve zjištěn jeho počáteční klastr, a pak následně i celková velikost souboru. Pak je přečten první cluster a následně je zjištěna informace, na kterém dalším clusteru se nacházejí navazující data (pokud nejsou klastry umístěné kontinuálně v řadě za sebou, mluvíme o fragmentaci souboru). Tak to pokračuje dál, až do posledního relevantního clusteru. Pokud chceme smazat nějaký soubor, nemusíme mazat v datové část - stačí provést úpravy v tabulce FAT. Omezení FAT16 Maximální velikost oddílů je 2 GB v systému MS-DOS a 4 GB v systému Windows NT. Maximální počet souborů v diskovém oddílu je U jednotek nebo oddílů větších než 200 MB bude se zvětšením velikosti svazku rychle klesat výkon systému souborů FAT16. U souborů oddílu FAT16 není možné nastavit oprávnění. Poznámka VFAT V roce 1995 vyšlo s operačním systémem Windows 95 další rozšíření pro FAT12 a FAT16, nazývané VFAT. Novinkou byla podpora dlouhých jmen souborů (z původních 8.3). Operační systémy I. Stránka 37

38 HPFS (High Performance File System) HPFS je souborový systém, vyvinutý v roce 1989 společnostmi Microsoft a IBM během spolupráce na společném operačním systému OS/2 verze 1.2. Cílem vývoje HPFS bylo získat dokonalejší přístup k větším pevným diskům, které se v té době objevily na trhu a rozšířit systém názvů (oproti FAT16), uspořádání a zabezpečení v závislosti na rostoucích požadavcích trhu se síťovými servery. Vlastnosti HPFS Systém souborů HPFS zachovává uspořádání adresáře systému souborů FAT, přidává však automatické řazení adresáře založené na názvech souborů (názvy souborů jsou rozšířeny až na 254 dvoubajtových znaků). Systém souborů HPFS umožňuje, aby byl libovolný soubor složen z dat a zvláštních atributů (pojmenování a zabezpečení). Základní datovou jednotkou je fyzický sektor (512 bajtů), čímž se snížila ztráta místa na disku. Systému souborů HPFS uchovává o adresářích a souborech více informací než systém souborů FAT (atributy obsahují informace o změně, vytvoření a datu a času přístupu k souborům). Také se snaží přidělit co možná největší část souboru do souvislých sektorů, čímž se zvyšuje rychlost při sekvenčním zpracování souboru. Systém souborů HPFS obsahuje několik speciálních datových objektů: Blok Super Block, který obsahuje ukazatel na uzel FNODE kořenového adresáře. Blok Spare Block, který obsahuje tabulku oprav Hotfix a blok Spare Directory Block. Oprava hotfix spočívá v tom, že při objevení chybného sektoru přesune systém souborů informace do jiného sektoru a označí původní sektor jako chybný. Omezení HPFS Systém souborů HPFS je nejvhodnější pro diskové oddíly o velikosti 200 až 400 MB. Systém souborů HPFS je podporován pouze ve Windows NT verze 3.1, 3.5 a V systému Windows NT 4.0 nelze získat přístup k oddílům HPFS a nelze nastavit ani zabezpečení. Operační systémy I. Stránka 38

39 FAT32 V roce 1997 vyšla další verze FAT, nazývaná FAT32, která se používá do dnes. Systém souborů FAT32 (FAT tabulka je již 32bitová, využívá se však jen 28 bitů) přináší zvýšení počtu alokačních záznamů (klastrů) na 2 32 = 4 GB (max. velikost oddílu je 128 GB) a neomezený počet kořenových záznamů. Narozdíl od FAT16 ale používá dvě tabulky (hlavní a záložní), což zvyšuje bezpečnost souborového systému (data jsou lépe zabezpečena proti nekonzistenci). S tímto souborovým systémem pracují všechny operační systémy Microsoft Windows od verze Win 95 OSR2/98/ME/NT/2K/XP, včetně nejnovějších Vista a Seven. V souborovém formátu FAT32 lze použít různou velikost klastrů, kde minimální hodnota velikosti klastru se řídí velikostí disku. Při vytváření souborového systému můžeme však zvolit libovolnou hodnotu v rozmezí, uvedeném v tabulce 4 FAT32. Doporučuje se však nevolit příliš nízkou hodnotu, protože to zvyšuje nároky na správu souborového systému (FAT tabulka je velká a pomaleji se v ní hledá). Vyšší než potřebná hodnota zase není výhodná, pokud máme hodně malých souborů (každý soubor zabírá nejméně jeden cluster). Proto je zapotřebí zvážit, jak velké soubory budou na disku převážně uložené a zvolit nějaký vhodný kompromis. Velikost Disku Nejmenší velikost clusteru 512 MB 8 GB 4 kb 8 GB 16 GB 8 kb 16 GB 32 GB 16 kb 32 GB 2 TB Tabulka 4 FAT32 32 kb = 16 sektorů Poznámka FAT32x (extension) Rozšíření FAT32, nazývané FAT32x (extension) je soubor rozšíření, umožňující zacházet s disky o kapacitě větší než 8.4 GB (max. velikost oddílu 2 TB, max. velikost souborů 4 GB). Původní specifikace CHS (Cylinder/Head/Sector) omezovala kapacitu na adresovatelné maximum 1024 cylindrů, 255 hlaviček a 63 sektorů (toto adresování používá Win 3x a DOS). Tato FAT32x rozšíření slouží k tomu, aby byl celý disk plně adresovatelný lineární metodou LBA (Logical Block Addressing). Povolení extenzí se zajistí při rozdělování disku na diskové oddíly utilitou FDISK v úvodním menu konfigurace povolením správy velkých disků. Teoreticky (od Windows 95 OSR2) umožňuje FAT32 adresovat 2 32 klastrů, tj. 128 TB ( kb). K adresaci se ale používá jen 28 bitů, což dává teoretický limit 8 TB ( kb). Prakticky se této velikosti ale nedosáhne, protože disky s MBR záznamem mají limit pro adresování prostoru pevného disku 2 TB. Omezení FAT32 FAT32 je použitelný pro disky > 2 GB, maximálně však 2 TB. V oddílu systému souborů FAT32 nelze vytvořit soubor větší než 4 GB (2 32 ). Maximální počet souborů na diskovém oddílu je 4 miliony. Verze Windows 95, Windows NT do 4.x a starší s FAT32 nedokážou pracovat. Operační systémy I. Stránka 39

40 NTFS (New Technology File System) NTFS je souborový systém vyvinutý pro operační systém Windows NT 3.1 v roce Hlavním požadavkem při jeho vývoji bylo zajištění větší bezpečnosti dat a možnost definovat přístupová práva různým uživatelům. V současné době existuje 5. verze NTFS: 1993: v 1.0 pro Windows NT : v 1.1 pro Windows NT : v 1.2 pro Windows NT : v 1.2 pro Windows NT 4.0 (komprimované soubory, ACL, ) 2000: v 3.0 pro Windows 2000 (tzv. NTFS 5.0, diskové kvóty, EFS, sparse files, ) 2001: v 3.1 pro Windows XP (tzv. NTFS 5.1) 2003: v 3.1 pro Windows Server 2003 (tzv. NTFS 5.2) 2007: v 3.1 pro Windows Vista (tzv. NTFS 6.0, transakce, symbolické linky) 2008: v 3.1 pro Windows Server 2008 (tzv. NTFS 6.0) Vlastnosti NTFS NTFS odstraňuje omezení systémů souborů FAT a HPFS: o Velikost souborů a svazků až 2 64 B (16 exabajtů; B). Lze jej použít i na malé disky (ne na diskety). o Systém souborů NTFS se vrací ke koncepci klastrů v systému souborů FAT, který umožňuje předejít problému systému souborů HPFS s pevnou velikostí sektorů. o Názvy souborů jsou založeny na formátu Unicode (nelze používat znaky: / \:*?" <> ), přičemž názvy souborů standardu 8.3 (FAT16) jsou zachovány spolu s dlouhými názvy souborů (včetně české diakritiky). Maximální délka názvu souboru je 255 znaků. o Maximální počet souborů v diskovém oddílu: 2 32 NTFS je spolehlivý o obnovitelnost a odstranění závažných chyb u jednoho sektoru a opravy Hotfix (požadované hlavně u výkonných systémů a souborových serverů). o žurnálování poměrně složitý systém pro zajištění konzistence dat na disku (všechny zápisy na disk jsou zaznamenávány do speciálního souboru, tzv. žurnálu. Když během zápisu dojde k havárii systému, provede se zotavení systému podle záznamů v žurnálu rozpracované operace se buď dokončí, nebo anulují). Poznámka Oprava Hotfix Pokud dojde k chybě z důvodu chybného sektoru, přesune systém souborů informace do jiného sektoru a označí původní sektor jako chybný. Tato technika se nazývá hotfix. Pro všechny aplikace požadující vstupně-výstupní operace po disku je tento průběh transparentní, tzn., že aplikace neví, že se na pevném disku vyskytly nějaké potíže. Operační systémy I. Stránka 40

41 NTFS je platformou pro přidané funkce: o ACL (Access Control List) Podpora zabezpečení Windows NT (soubory, složky, uživatelé, skupiny). o Podporuje více datových proudů (uživatel může přidat souborům další atributy). o Umožňuje indexaci podle různých typů dat (dle názvu souboru, přístupových práv, času vytvoření souboru, ), což zrychluje vyhledávání dat na disku, ale způsobuje i celkové zpomalení systému aktualizací indexů při každé změně dat (služba Indexing Services). o Zajišťuje online šifrování (EFS - Encrypting File System) a kompresi dat na disku (šifrování je podporováno až od Windows 2000). o Umožňuje přidělovat a sledovat diskové kvóty, kterými nastaví maximální velikost využitelného místa v rámci diskového oddílu/adresáře, pro konkrétního uživatele. o Pevné a symbolické linky, běžně používané v unixových OS odkazy na soubory na úrovni filesystémů. NTFS podporuje (částečně) standard POSIX: o Umožňuje dlouhá jména souborů o Vytváření názvů rozlišujících velká a malá písmena: soubory README.TXT, Readme.txt a readme.txt jsou odlišnými soubory (ale v různých adresáři). o Přídavné časové razítko: určuje čas posledního přístupu k souboru. o Pevné odkazy: jsou vytvořeny v případě, že dva různé názvy souborů, které mohou být umístěny v různých adresářích, odkazují na stejná data. V terminologii NTFS se hovoří o logických discích jako o svazcích. Velikost klastrů je stejně jako u FAT odvozena od velikosti svazku. Při vytváření souborového systému se může ale stanovit vlastní velikost klastru (viz tabulka). Velikost svazku Velikost clusteru 512 MB nebo méně 512 B 512 MB 1 GB 1 kb 1 GB 2 GB 2 kb 2 GB nebo více 4 kb Tabulka 5 NTFS Souborový systém NTFS se brání fragmentaci tak, že pro uložení souboru nehledá nejbližší volný klastr, ale nejbližší vhodnou posloupnost navazujících klastrů, kam se celý soubor vejde. Fragmentace tedy vzniká, jen když je na disku málo volného místa, nebo když je soubor editací příliš zvětšen. Poznámka Zrychlení systému NTFS NTFS při procházení adresářovou strukturou aktualizuje datum a čas posledního přístupu. V určitých situacích můžeme tuto funkci vypnout tak, že v registru nastavíme hodnotu klíče NtfsDisableLastAccessUpdate na hodnotu 1. Poznámka Každý systém souborů (FAT16, FAT32 a NTFS) má své výhody i nevýhody. Pro volbu souborového systému platí, že volíme ten souborový systém, se kterým dokáže pracovat použitý operační systém. Pokud chceme mít na jednom počítači více operačních systémů, na prvním logickém disku volíme ten souborový systém, se kterým dokážou pracovat všechny operační systémy obvykle to bývá FAT16 nebo FAT32 (pokud máme Win98, Win2000 a Linux, použijeme na C FAT32; pokud máme Win95 nebo Win3x, musíme použít na C FAT16). Operační systémy I. Stránka 41

42 Pojmy Klíčová slova ACL, alokace, atributy, fragmentace, hotfix, svazek. FAT, FDISK, HPFS, NTFS, VFAT. Kontrolní otázky 1. Definujte souborový systém FAT (FAT12 a FAT16) a popište způsob ukládání a čtení dat. Vyjmenujte jeho vlastnosti a omezení. 2. Definujte souborový systém FAT32 a FAT32x. Vyjmenujte jeho vlastnosti a omezení. 3. Definujte souborový systém NTFS. Vyjmenujte jeho vlastnosti a omezení. 4. Popište vývoj souborových systémů z hlediska jejich vlastností. Operační systémy I. Stránka 42

43 2.4 Základní typy OS Dělení operačních systémů Operační systémy se dělí podle různých hledisek: OS podle HW platformy Rozlišujeme HW platformu (podle architektury procesoru: x86, PowerPC) a SW platformu (OS). HW platformy podle architektury CPU x86: IBM PC (16 bit), IA-32 (Intel Architecture, 32 bit) x86-64: AMD64 (64 bit) CISC: mainframe, IA-32 (Complex Instruction Set, komplexní instrukční sada) RISC: PowerPC (Reduced ISC, redukovaná instrukční sada, vyšší výkon) Poznámka Multiplatformní Software obsahuje instalační kód pro více platforem. Např. Mozilla Firefox pro platformu MAC OS X obsahuje kód pro HW architekturu x86, tak i pro PowerPC. HW platforma podle typu počítače: Mainframe: sálové počítače pro vědecké účely, specializované OS (IBM: z/os, z/vm) Servery: výkonné podnikové počítače (OS Windows Server, Linux, Unix) PC (Personal Computer): kancelářská a domácí PC: Win XP/Vista/7, MAC OS X, Chrome Přenosná zařízení (tablet, notebook, netbook): Win XP/Vista/7, MAC OS X, Chrome Mobilní zařízení (palm, chytré telefony, PDA): Symbian, Windows Mobile, Android OS podle způsobu zpracování Realtimové: jsou na ně kladeny vysoké požadavky na zpracování úloh v reálném čase (úlohy mají stanovenu max. dobu pro zpracování); používají se např. v letovém provozu, v laboratořích, výrobních provozech, elektrárnách, atp. (např.: unixový klon QNX, RTLinux, RTX RealTime extension pro Windows NT) Distribuované: rozlišují se distribuované aplikace (distribuce dat, výpočtů a prostředků) a distribuované operační systémy (běží na síti procesorů, které nemají sdílenou operační paměť, ale uživateli se jeví jako jeden počítač: např. Poznámka Cloud Computing Cloud Computing je speciální způsob provozování služeb, aplikací a datových úložišť přes Internet. Název je odvozen od oblaku, ve kterém jsou umístěny prostředky nejrůznějšího druhu, jejichž fyzické umístění ani vnitřní struktura nejsou uživateli zřejmé. Pro přístup k těmto službám stačí internetový prohlížeč a přídavný modul nebo technologie (například AJAX, Java, Flash Player nebo Silverlight). Příklady Cloud OS: ICloud OS, OOS, Glide OS, SilveOS, mygoya, Ghost Cloud OS, Eye OS, Start Force, Nivio ndesktop, Chromium OS, Windows Azure Operační systémy I. Stránka 43

44 Podle bitové platformy 16bit: MS-DOS 32bit: Windows 9x/2K/XP, Windows Vista/7, Linux 64bit: zvýšení výkonu o 10-25% (64bitové aplikace): Win XP/Vista/7, Linux, Unix Podle způsobu uložení OS Paměťově rezidentní: pro jednoduché mikropočítače, celý OS je v paměti ROM Diskově orientované: jednotlivé součásti OS jsou podle potřeby nahrávány do operační paměti z diskových médií. Při startu počítače se o zavedení OS do RAM postará BIOS. Podle počtu využívaných procesorů Jednoprocesorové: Windows s DOS jádrem (verze Win 9x, ME) Víceprocesorové (multiprocessing, multithreading): unixové systémy, Linux, Windows s NT jádrem (NT, 2K, XP, Vista, Seven), souběžné zpracování úloh na více procesorech. Podle způsobu zpracování úloh Jednoúlohové (single-task): v jeden časový okamžik je spuštěn jeden program (MS-DOS) Víceúlohové (multi-task): umožňují současný běh více programů (všechny novější OS) Podle složitosti správy uživatelů Jednouživatelské (single-user): v jeden okamžik může v systému pracovat jeden uživatel MS-DOS, Windows 9x/XP/Vista/7, OS pro mobilní zařízení Víceuživatelské (multi-user): v jeden okamžik může v systému pracovat více uživatelů současně, mají propracovanou správu uživatelů, která umožňuje práci v OS více uživatelům bez vzájemného ovlivňování (uživatelé se připojují pomocí terminálů, nebo po síti) MAC OS X, Linux, Unix, Novell, Windows Server Podle schopnosti práce v síti Lokální: desktopové OS, mohou být v síti typu klient-server jen klienty, slouží pro běh uživatelských aplikací Síťové: serverové OS, primárně určené pro provoz síťových služeb, např. databáze, Web, DNS, atp. (unixové systémy, Linux, Windows s NT jádrem) Podle uživatelského rozhraní: Textově orientované (CLI, TUI) Graficky orientované (GUI) Podle způsobu licencování: (pro úplnost je zde uveden kompletní výčet různých typů licencí) Public domain: jedná se o software, kterého se jeho tvůrce dobrovolně vzdal (autorských práv). Takový programy můžete upravovat, volně šířit i prodávat. Svobodný software (GPL): jde o obecně veřejnou licenci (General Public License, copyleft). Umožňuje studovat zdrojový kód, program libovolně používat, kopírovat, modifikovat a dále šířit ovšem za předpokladu, že všechna odvozená díla poskytnou svým uživatelům tatáž Operační systémy I. Stránka 44

45 výše uvedená práva. Pod tímto typem licence (GNU/GPL) je například šířena většina distribucí OS Linux a některé OS Unix. GNU označuje svobodný volně šiřitelný unixový OS (GNU s Not Unix = rekurzivní zkratka: GNU není UNIX GNU/Linux). Poznámka Freeware: programy, které jsou zdarma. Někdy je použití zdarma omezeno jen na domácí užití, nebo jej výslovně nelze používat ke komerčním účelům apod. Cardware: neomezené použití s podmínkou, že autorovi zašlete pohlednici. Donationware: zaplacení programu je dobrovolné. Adware: zdarma, ale během používání se zobrazuje reklama z internetu. Shareware: zkušební verze placeného softwaru. Má omezené funkce a dobu funkčnosti. Demo a Trialware: funkčně a časově (zpravidla 30 dní) omezená verze programu. Komerční: tento software nelze volně šířit, jedná se o neomezené komerční programy. Pod tímto typem licence jsou všechny verze OS Windows (desktopové i serverové), některé distribuce OS Unix a Mac OS. OEM (Original Equipment Manufacture) je speciální verze komerční licence, která je vázaná na HW. Nelze ji nainstalovat na jiný počítač. Při instalaci programů většina uživatelů potvrdí souhlas s podmínkami o užívání software. Málo kdo se ale seznámí s jeho obsahem Ještě méně uživatelů však ví, že většina těchto ujednání je protiprávních EULA (End User Licence Agreement) Licenční smlouva s koncovým uživatelem může sice něco povolit, co zákony v ČR výslovně nepovolují, ale současně nesmí zakázat něco, co zákon dovoluje. Tato smlouva také nemůže některou ze stran zprostit odpovědnosti za škodu, kterou instalovaný program způsobí. Příklady chybného výkladu licenčních smluv EULA u softwaru 1. Tvůrci nenesou žádnou odpovědnost za škody způsobené programem na počítači, softwaru, datech či hardwaru. Není pravda. Zákon jasně vymezuje odpovědnost za škodu způsobenou vadou výrobku a současně stanovuje, že této odpovědnosti se nelze zprostit. Jakékoli jednostranné prohlášení, dohoda či smlouva je tedy odpovědnosti nezbavuje. 2. Nesmí se zkoumat zdrojový kód, myšlenky a principy, na nichž je program založen. Není pravda. Autorský zákon říká (a to doslova) přesný opak takže každý oprávněný uživatel může zkoumat, co chce. 3. Na funkčnost CD/DVD jakožto fyzického nosiče dat není záruka. Není pravda. Zákon jasně stanoví, že je dvouletá záruka na všechny vady, které by se na výrobku projevily. 4. Uživatel nesmí z žádných důvodů žalovat vývojáře, vydavatele ani distributora. Není pravda. Zákon jasně stanoví, že jakákoli ujednání, v nichž se spotřebitel (tedy kupující) vzdává svých zákonných práv, jsou neplatná. Více se dovíte na: Operační systémy I. Stránka 45

46 Pojmy Klíčová slova HW a SW platforma, realtime OS, distribuovaný OS, Cloud Computing, licence. Kontrolní otázky 1. Vyjmenujte různé typy HW platforem a přiřaďte k nim odpovídající OS. 2. Vysvětlete rozdíl mezi realtime OS a distribuovaným OS. 3. Popište rozdíl práce v jednouživatelském OS od způsobu práce ve víceuživatelském OS. Jaké operační systémy do těchto kategorií patří? 4. Jaká jsou omezení u 32bit OS? 5. Vyjmenujte a popište různé způsoby licencování SW. Které z nich se využívají pro licencování nejznámějších OS? Přehled základních OS MS-DOS MS-DOS (Microsoft Disk Operating System) je diskovým jednoprocesorovým, jednouživatelským, jednoúlohovým, textovým operačním systémem pro HW platformu typu PC IBM kompatibilní. Více o operačním systému MS-DOS najdete v kapitole 3.2 Charakteristika MS-DOS a dále. Výhody: funkčnost i na nevýkonných strojích jednoduchost Nevýhody velmi zastaralý (1981) textové prostředí neumí multitasking neefektivní správa paměti nad 640 kb Operační systémy I. Stránka 46

47 Microsoft Windows V současné době je Windows 7 hlavním OS, který lze charakterizovat jako: síťový, desktopový, diskový, jednouživatelský, víceúlohový (s podporou více jader CPU a hypethreadingu), s grafickým uživatelským prostředím a s podporou vizualizace aplikací v prostředí předchozího OS Windows XP. 1985: Windows 1 okna se nedají překrývat (tvoří frontu) 1987: Windows 2 graficky velmi podobná MAC OS 1990: Windows 3 (codename Janus) grafická nadstavba MS-DOS 1992: Windows 3.1 (Kato) TrueType fonty a podpora multimédií 1992: Windows for Workgroups 3.1, 3.11 (Sparta, Snowball) podpora sítí 1993: Windows NT 3.1 (NT OS/2 3.0) klon OS/2 s podporou sítě 1994: Windows NT 3.5, 3.51 (Daytona) oprava chyb 1995: Windows 95 (Chicago, O'Hare, Frosting, Detroit, Nashville) preemptivní multitasking, stále ale jen nadstavba MS-DOS, kopíruje složky z MAC OS 1996: Windows NT 4.0 (Cairo) nové jádro, NTFS, desktopová a serverová verze 1998: Windows 98 (Memphis, Dolly) stále jde o nadstavbu MS-DOS, obsahuje FAT32x 1999: Windows 98 Second Edition obsahuje mnoho oprav 2000: Windows 2000 (Memphis NT, Asteroid, 64bit Janus) desktopový a serverový OS 2000: Windows ME další verze 9x nadstavby MS-DOS, poměrně neúspěšná edice 2001: Windows XP (Whistler) jádro NT 4.0, desktopový OS (Home, Professional) 2002: Windows XP Media Center (mantis, Freestyle, Harmony, Symphony, Emerald) 2003: Windows Server 2003 (Whistler Server) řada bezpečnostních vylepšení 2005: Windows XP Embedded (Mantis) komponentizované OS pro spec. zařízení 2007: Windows Vista (Longhorn, Mojave) revoluce GUI (by MAC OS) 2008: Windows Server 2008 (Longhorn Server, Viridian) podpora vizualizace 2009: Windows 7 (Vienna, původně Blackcomb) 6 edicí, mnoho novinek (by Mac OS) 2010: Windows Azure (Red Dog) Cloud Computing, serverová platforma služeb 2012: Windows 8 (Midori) HD, 3D video, USB 3.0, Bluetooth : Windows Server 2012 Výhody: Je určen pro běžného uživatele (proto je velmi rozšířeným OS standard ) existuje mnoho kvalitních aplikací (freeware, svobodný software, komerční) podpora velkého množství HW zařízení a komponent (všichni výrobci) podpora multimédií (včetně periferních zařízení: mp3,mobilní zařízení, ) otevřený formát souborů kancelářských aplikací Nevýhody bez zabezpečení (základní instalace) HW nároky (stále se zvětšující požadavky) mnoho bezpečnostních chyb (vyžaduje neustálé aktualizace: windows update) Operační systémy I. Stránka 47

48 MAC OS Mac OS (Macinthos Operating System) je operačním systémem pro počítače Apple Macintosh s velmi kvalitním grafickým uživatelským prostředím (MAC OS byl prvním komerčním OS s GUI) a stabilitou OS Unix. V současné době je Mac OS X založen na Unixovém jádru BSD a grafickém rozhraní Aqua. Výhody: stabilita, bezpečnost, spolehlivost, multitasking, multiprocessing propracované GUI, design podpora platforem Mac a Intel velmi kvalitní aplikace (zejména pro grafiku a multimédia) Nevýhody cena (specializovaný HW, značka Apple) malé rozšíření mezi uživateli nedostatek aplikací (účetnictví, hry, atp.) Poznámka Co bylo dříve? Microsoft nebo Apple? Xerox. V úplných začátcích společnost Microsoft velmi kopírovala od tehdy úspěšného konkurenta Apple, ale i ten měl své zdroje inspirace. Například první grafické uživatelské rozhraní (GUI) vzniklo ve vývojovém centru společnosti Xerox už v roce Tamtéž přišli s nápadem ovládání počítače myší, ikonami a pomocí příkazů v nabídkách. Xerox Alto První operační systém měl velmi propracovaný souborový systém (názvy mohly obsahovat velká i malá písmena o délce 31 znaků, souborový manažer uměl automaticky doplňovat názvy), uměl komunikovat v síti (sdílet soubory, adresáře, tiskárny) a umožňoval dokonce hrát síťové hry. Také dnes běžně používané názvy (Personal Computer, WYSIWYG, ) mají svůj původ v Xeroxu. V roce 1979 navštívil XEROX PARC majitel malé firmičky Apple Steve Jobs, který byl velmi nadšený z programátorského prostředí SmallTalk (už tehdy objektově orientované). Dnes je v modifikované podobě základním jazykem MAC OS (Objective C). Grafické uživatelské rozhraní Alto sice Steva tolik nezaujalo, ale inspirace to byla jednoznačná Ve výzkumném centru Xerox PARC (Palo Alto Research Center) se řídí heslem: Nejlepší způsob, jak předpovědět budoucnost, je vynaleznout ji. Unix V roce 1973 byl v Bell Telephone Laboratories (součást telekomunikačního gigantu AT&T) vytvořen operační systém Unix. Protože bylo společnosti AT&T antimonopolním úřadem zakázáno podnikat v oblasti počítačů, převedla licenci na vybrané Univerzity, Od této doby existují dvě základní vývojové větve: komerční (System III, System V, Solaris, HPUX, AIX) a akademické volně šiřitelně verze BSD Unix (FreeBSD, NetBSD, OpenBSD) a Open Solaris. OS Unix je diskový, víceuživatelský, víceúlohový, síťový, serverový operační systém. Skládá se ze tří vrstev: jádra (kernel), interpretu příkazového řádku (shell) a služebních programy (aplikační). Součástí OS je i grafické uživatelské rozhraní (založené na rozhraní X-Windows). Nejznámějšími jsou GNOME a KDE. Operační systémy I. Stránka 48