Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással

    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Operációs rendszerek

    A tantárgy angol neve: Operating Systems

    Adatlap utolsó módosítása: 2017. szeptember 7.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar
    Mérnök informatikus szak,  BSc képzés
    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIMIAB00 4 3/0/1/v 5  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Mészáros Tamás Csaba, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék
    A tantárgy tanszéki weboldala http://www.mit.bme.hu/oktatas/targyak/vimiab00
    4. A tantárgy előadója Dr. Mészáros Tamás Csaba, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék
    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Számítógép architektúrák, Programozás alapjai, Programozás technológiája
    6. Előtanulmányi rend
    Kötelező:
    (TárgyEredmény( "BMEVIHIAA00" , "aláírás" , _ ) = -1
    VAGY TárgyEredmény( "BMEVIHIA210" , "aláírás" , _ ) = -1 )

    ÉS NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIMIA219" , "jegy" , _ ) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIMIA219", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

    A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

    A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

    7. A tantárgy célkitűzése A tárgy célja az operációs rendszerek funkcióinak, működési elveinek, fő típusainak, valamint a konkurens és elosztott rendszerek programozási modelljeinek megismertetése, az elvek szemléltetése példákon, az operációs rendszer választás szempontjainak bemutatása. A tárgy és a hozzá tartozó laboratóriumi foglalkozások során komoly hangsúlyt kapnak gyakorlati ismeretek is, így a kurzus elvégzése elvezet az operációs rendszerek használatának mérnöki, készségszintű elsajátításához is.
    8. A tantárgy részletes tematikája

    Bevezetés: az operációs rendszer fogalma, célja, osztályozása, vázlatos felépítése, fejlődésének mérföldkövei, gyártók és termékek piaci részesedése, Windows és UNIX változatok, beágyazott operációs rendszerek, a kernel feladatai, főbb részei, nyílt rendszerek és szabványosítás, trendek, fejlesztési irányok.

    Felépítés és működés: a kernel felépítésének alapelvei, modelljei; monolitikus és mikrokernel; réteges és moduláris szerkezet; a mai (monolitikus) kernelek problémái, az armored OS koncepció; mikrokernelek felépítése és a második generációs mikrokernelek (L4); az exokernel, a multiszerver és a hibrid kernelek; az OS elindulása, a Linux/Windows kernel inicializáció főbb lépései, a felhasználói működés beindulása, szolgáltatások és kritikus rendszerfolyamatok; UNIX futási szintek, sysinit és systemd; a rendszerhívások működési mechanizmusa, virtuális rendszerhívások.

    Feladatkezelés: a felhasználói feladatok jellege (CPU-intenzív, I/O-intenzív, memória-intenzív); feladatok végrehajtásával kapcsolatos elvárások, mérőszámok (várakozási idő, körülfordulási idő, válaszidő, CPU-kihasználtság, átbocsájtó képesség, rezsiköltség, jósolhatóság, determinisztikusság); az optimális feladat-végrehajtó rendszer és megvalósítási nehézségeinek okai; a feladatkezelés alapfogalmai: taszk, folyamat és szál; a feladat-taszk összerendelés; az absztrakt virtuális gép fogalma; folyamatok és szálak összehasonlítása: tulajdonságok, előnyök, hátrányok, teljesítmény; taszkok adatai; taszkok állapotai és állapotátmenetei; taszkok létrehozása; taszk- és kontextusváltás.

    Felhasználói felület: a felhasználói felület feladatai, típusai; külső és belső parancsok; a karakteres és grafikus felületek részei: parancsértelmező (shell), ablakozó rendszer, ablakkezelő, kijelzőszerver; a parancsértelmező programozása; tipikus kijelzőszerverek és ablakkezelők; munkamenet-kezelés, természetes nyelvű interfészek

    Ütemezés: az ütemezés feladata, időskálái; egyszerű ütemezési algoritmusok (FCFS, RR, SJF, SRTF, PRIO) adatstruktúrái, működése, komplexitásuk, értékelésük; konvoj hatás és kezelése; kiéheztetés és öregítés; a prioritás inverzió és kezelése; statikus és dinamikus többszintű ütemezés, többszintű visszacsatolt sorok ütemező, a tradicionális UNIX ütemező részletes működése és értékelése; a többprocesszoros ütemezés alapjai (CPU-affinitás, erőforrás-allokáció és terheléselosztás), heterogén többprocesszoros rendszerek alapproblémái; ütemezők a gyakorlatban: számítási példák, Windows, UNIX, Linux CFS, Solaris.

    Virtuális memóriakezelés: a memóriakezelés feladatai, virtuális tárkezelés; címleképezés, lapszervezés, cserehely (swap) és tárcsere (swapping); laphiba és szoftveres címleképezés; kerettábla, laptábla, diszk blokk leíró és swap térkép; az adatszerkezetek kapcsolatai és működése; fill-on-demand; copy-on-write; lapozási stratégiák: igény szerinti és előretekintő; vergődés; lapcsere algoritmusok: FIFO, második esély, legrégebben nem használt, legkevésbé használt; mostanában nem használt; lapok tárba fagyasztása; a laplopó taszk.

    Kommunikáció: kommunikáció közös memórián keresztül: a PRAM modell, szálak közötti adatcsere, közös memória és memóriába ágyazott fájlelérés. Üzenetváltásos kommunikáció: címzési módon, szinkron és aszinkron átvitel, az adatátvitel lehetséges szemantikái, direkt és indirekt kommunikációs megoldások, az adatátviteli sebességet és a késleltetés meghatározó tényezők. Az L4 mikrokernel üzenettovábbiítási technikái. A hálózati (socket) kommunikáció rendszerhívásai és működése. A távoli eljáráshívás (RPC) technológia részei, interfészleíró nyelv, rpcgen, portmapper, a kommunikációs rendszer felépítése. Gyakorlati példák: UNIX jelzések, csővezetékek, üzenetsorok, osztott memória és egyszerű webszerver készítése C nyelven.

    Szinkronizáció: taszkok versengése és együttműködése; klasszikus szinkronizációs problémák: író-olvasó, többszörös olvasók, termelő-fogyasztó (korlátos raktárral); a szinkronizáció és alapvető formái; kölcsönös kizárás és kritikus szakasz; atomi memóriaműveletek: test-and-set-lock (TSL) és compare-and-swap (CAS); zárolási eszközök: lock bit, mutex, szemafor, spinlock, ReaderWriterLock és RecursiveLock; a szemafor műveletei és megvalósításuk TSL segítségével; a kritikus szakasz megvalósítása TSL és szemafor alkalmazásával; erőforrás-foglalási gráf; a holtpont és kialakulásának feltétele; holtpont kezelése: strucc algoritmus, detektálás, feloldás, megelőzés és elkerülés; a biztonságos állapot fogalma és ellenőrzése; a prioritás inverzió és kezelése; kiéheztetés foglalással és várakoztatással; a szinkronizáció okozta teljesítményromlás; optimista zárolás; zárolás- és várakozásmentes szinkronizáció.

    Fájlrendszerek: fájl, könyvtár, kötet, meghajtó, fájlrendszer és partíció fogalma; könyvtárstruktúrák gráf felépítése példákkal (Windows 10, Linux és Android), elérési út, szimbolikus és rögzített linkek; fájlok tulajdonságai, POSIX hozzáférési-jogosultságok, ACL és setuid, setgid, sticky bit; fájlrendszerek adminisztrációja: formázás, csatlakoztatás, ellenőrzés, hangolás; elterjedt fájlrendszerek; biztonsági mentések; fájlrendszerek programozói interfésze, soros és közvetlen elérés, fájlleíró és nyitott fájl objektum; ajánlott és kötelező zárolás; fájlok memóriába ágyazott megosztott elérése; nem blokkoló és aszinkron műveletek; adatok elhelyezése a háttértáron, szuperblokk, metaadatok, allokációs táblák, üres helyek menedzselése; diszkpufferelés; naplózó fájlrendszerek; virtuális fájlrendszer interfész; fizikai tárolórendszerek; I/O ütemezés; tárolórendszer-virtualizáció: LVM, RAID, hálózati és elosztott fájlrendszerek, NFS és Ceph.

    Virtualizáció: a virtualizáció fogalma, alkalmazási területei; a virtuális gépek osztályozása; hardver virtualizáció: hosted és bare metal megoldások; CPU virtualizáció: emuláció, trap and emulate, binary translation, para- és hardveres virtualizáció; memória virtualizáció: árnyék laptáblák, para- és hardveres virtualizáció; I/O virtualizáció: szoftveres, paravirtualizáció és hardvertámogatott megoldás; virtualizációs rendszerek áttekintése: gyártók és termékek; felhőalapú rendszerek: IaaS, PaaS, SaaS; Docker; Mirage OS.

    Laborok: a félév során hat laboratóriumi foglalkozást tartunk Windows, Linux és beágyazott operációs rendszerek témakörökben.

    A félév egyes előadásaihoz fakultatív házi feladatok is tartoznak, amelyek egyszerű programozási feladatokon keresztül segítik az adott előadás anyagának jobb megértését.

    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás és laboratórium
    10. Követelmények

    1. A szorgalmi időszakban:

    a. A félév során a hallgatók egy zárthelyit írnak. A félév végi aláíráshoz a zárthelyi legalább elégséges szintű (40%) teljesítése szükséges.

    b. Az aláíráshoz szintén szükséges a hatból négy laborfoglalkozás legalább "megfelelt" szintű teljesítése. A laborok elején beugrót írnak a hallgatók, a beugrót nem teljesítő hallgatók a laborfoglalkozáson nem vehetnek részt. A laborokat a mérésvezető "megfelelt", "nem megfelelt" és "kiválóan megfelelt" szintekkel értékeli a foglalkozáson elvégzett munka alapján.

    c. A fakultatív házi feladatok megoldása nem feltétele az aláírás megszerzésének.

    2. A vizsgaidőszakban:

    A tantárgyhoz tartozó kreditpontok megszerzésének feltétele a legalább elégséges vizsgaeredmény.

    A vizsgára bocsáthatóság feltétele az aláírás megszerzése.

    A vizsga két részből álló írásbeli vizsga. Az elégséges vizsgához az első rész min. 60%-os és a második rész min. 40%-os teljesítése szükséges.

    A vizsgajegy számítása a vizsgával megegyező félévben aláírást szerző hallgatók számára a zárthelyi pontszám (1/3), a második vizsgarész pontszám (2/3) súlyozott átlagával történik, amelyhez hozzáadjuk a fakultatív házi feladatokra kapott pontszámot. Ez utóbbi nélkül is megszerezhető a jeles osztályzathoz szükséges pontszám.

    A korábbi félévben szerzett aláírás esetén csak a második részre szerzett pontszámot vesszük figyelembe a vizsgajegy kiszámításánál.

    Elővizsga: nincs

    Megajánlott jegy: kiváló teljesítményt nyújtó hallgatók számára megajánlott vizsgajegyet adunk a laborok, a zárthelyi és a fakultatív házi feladatok értékelése alapján.

    11. Pótlási lehetőségek

    A zárthelyi pótlására a TVSZ-nek megfelelően egy alkalommal biztosítunk lehetőséget.

    Laboratóriumi gyakorlat nem pótolható.

    12. Konzultációs lehetőségek Igény esetén a személyi és tárgyi erőforrások függvényében az előadóval egyeztetett teremben és időpontban.
    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom
    • Kóczy-Kondorosi (szerk.): Operációs rendszerek mérnöki megközelítésben
    • Silberschatz-Galvin-Gagne: Operating System Concepts with Java
    • Tanenbaum-Woodhull: Operációs rendszerek, tervezés és implementáció
    • Russinovich-Solomon-Ionescu: Windows internals Part 1-2
    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra56
    Félévközi készülés előadásokra14
    Félévközi készülés laborokra24
    Felkészülés zárthelyire20
    Házi feladat elkészítése0
    Önálló tananyag-feldolgozás 6
    Vizsgafelkészülés30
    Összesen150
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

    Előadások

    Dr. Mészáros Tamás Csaba, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék,
    valamint a meghívott vendégelőadók

    Laborok:

    Eredics Péter, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék
    Dr. Micskei Zoltán, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék
    Naszály Gábor, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

    IMSc tematika és módszer Az IMSc program hallgatói számára emelt szintű laboratóriumi gyakorlatokat és emelt szintű fakultatív házi feladatokat kínálunk. Alapvető célunk az, hogy a hallgatókat a tananyag mélyebb megismerésére ösztönözzük, ugyanakkor fakultatív feladatokkal és nagyobb laborfeladat-készlettel választási lehetőségeket is kínáljunk számukra.
    IMSc pontozás

    A tantárgyból maximum 25 IMSc pont szerezhető, amire összesen 35 pontnyi választási lehetőséget kínálunk az alábbiak szerint:

    • Zárthelyin (pótzárthelyin) maximum 5 IMSc pont szerezhető a haladó feladat megoldásáért, ha a dolgozat többi részéből legalább 66%-ot elért a hallgató.
    • Fakultatív házi feladatok emelt szintű megoldásáért összesen maximum 15 IMSc pont szerezhető.
    • A laborok emelt szintű teljesítéséért összesen maximum 10 IMSc pont kapható.
    • Bármelyik vizsgán maximum 5 IMSc pont jár a haladó feladat megoldásáért, ha a vizsgán szerzett érdemjegy egyébként jeles.

    Az IMSc pontok gyűjtése teljesen független a tantárgyban szerezhető ZH, vizsga- és fakultatív házi feladat pontoktól. Ezen pontok megszerzése és a fakultatív feladatok megoldása nélkül is jeles szinten teljesíthetők a tantárgy követelményei. Az IMSc pontok megszerzése az IMSc programban nem résztvevő hallgatók számára is biztosított.