Skripta Počítače a programování

0 1 modulo2 1 = 0
3. 1101101 100100 0 modulo2 0 = 0
3. 1101101 1001001 0 modulo2 1 = 1
Výsledek je binární číslo 1001001.
Převod z binární soustavy do Grayova kódu
1. Nejvýznamnější bit binárního čísla bude roven nejvýznamnějšímu bitu čísla v
Grayově kódu.
2. Další bit čísla v Grayově kódu je získán součtem modulo 2 dalšího bitu binárního
čísla a dalšího bitu binárního čísla.
3. Krok 2. je opakován tak dlouho, dokud nejsou všechny bity čísla v Grayově kódu
přičteny.
Například binární číslo 1101101 je převedeno takto:
krok binárně Gray
0. 1001001
1. 1 0 0 1 0 0 1 1 kopie nejvýznamnějšího bitu
2. 1 0 0 1 0 0 1 11 1 modulo2 0 = 1
3. 1 0 0 1 0 0 1 110 0 modulo2 0 = 0
3. 1 0 0 1 0 0 1 1101 0 modulo2 1 = 1
3. 1 0 0 1 0 0 1 11011 1 modulo2 0 = 1
3. 1 0 0 1 0 0 1 110110 0 modulo2 0 = 0
3. 1 0 0 1 0 0 1 1101101 0 modulo2 1 = 1

Výsledek je číslo v Grayově kódu 1101101.
Počítače a programování 1 9
BCD kód
Kód BCD (Binary Coded Decimal) slouží ke kódování číslic desítkové soustavy 4-
bitovými slovy. Jeho struktura se shoduje s binární soustavou, pouze bitové kombinace 1010
až 1111 nejsou povolené.
Dekadicky Binárně BCD
0 0000 0000
1 0001 0001
2 0010 0010
3 0011 0011
4 0100 0100
5 0101 0101
6 0110 0110
7 0111 0111
8 1000 1000
9 1001 1001
10 1010 -
11 1011 -
12 1100 -
13 1101 -
14 1110 -
15 1111 -
Tabulka 2.2: Kód BCD.
ASCII kód
Kód ASCII (The American Standard Code for Information Interchange) ASCII je 7-
bitový kód pro vyjádření 128 níže uvedených znaků. Jednotlivé kódy jsou obvykle
označovány v hexadecimální soustavě, např. kód znaku 'M' je 4C
16
.
► znaky a až z a A až Z (bez diakritiky),
► speciální znaky, např. ztext
zkusebni text
dalsi radek zkusebniho textu
^d$ ls -l ztext
-rw-r--r-- 1 petr group 43 May 13 13:46 ztext
$ cat ztext
zkusebni text
dalsi radek zkusebniho textu
$
Soubor "ztext" je nově vytvořen a pokud již dříve existoval, je zkrácen na nulovou
délku a naplněn výstupem programu cat. Pokud soubor existoval a chceme-li zachovat jeho
obsah, můžeme nový text k obsahu souboru jen připojit tak, že standardní výstup
přesměrujeme využitím dvojznaku ">>":
$ cat >> ztext
jeste jeden radek zkusebniho textu
^d$ cat ztext
zkusebni text
dalsi radek zkusebniho textu
jeste jeden radek zkusebniho textu
$
a naopak, pokud by soubor se jménem "ztext" doposud neexistoval, je vytvořen s
nulovou délkou a obsah z klávesnice je k němu připojen.
Příkazem find(1) vyhledáme soubor podle některého jeho atributu, a to v dané části
stromu adresářů. Např.
40 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
$ pwd
/usr/petr
$ find . -name ztext -print
/usr/petr/ztext
...
prohledává podstrom začínající pracovním adresářem "." a na standardní výstup
vypisuje (na základě volby "-name") cesty všech souborů, jejichž jméno je "ztext". Výpis je
zajištěn pomocí volby "-print". Lze totiž požadovat nejen výpis cesty k souboru, ale i
provedení určité akce. Např.
$ find /usr/petr -name core -exec rm {}\;
hledá v podstromu adresáře "/usr/petr" všechny soubory se jménem "core" a ruší je.
Určit jiný atribut, podle kterého find(1) vybírá soubory, můžeme použitím jiné volby, např.
$ find /usr -user petr -print
vyhledá všechny soubory od adresáře "/usr", které jsou ve vlastnictví uživatele "petr".
Konečně
$ find /usr -user petr -type d -print
vypíše všechny adresáře v podstromu "/usr", které vlastní uživatel "petr" (lze použít více
voleb současně), a
$ find /usr/petr /usr/jan -mtime -7 -print
vypíše cestu k souborům podstromů "/usr/petr" a "/usr/jan" (lze stanovit více výchozích
adresářů současně), které byly změněny v posledních 7 dnech.
Speciální soubor je přístup k periferii výpočetního systému. Speciální soubory jsou
standardně uloženy v podstromu začínajícím adresářem "/dev" a uživateli jsou dostupné podle
přístupových práv. Přístup uživatele např. k tiskárně může být pomocí speciálního souboru
"lp":
$ ls -l /dev/lp
c-w--w--w-- 1 bin bin 6, 0 May 14 09:14 /dev/lp
$
kde význam vypsaných atributů speciálního souboru se shoduje s významem atributů
obyčejného souboru vyjma místo, kde bývá uvedena velikost v počtu slabik. Zde jsou
zobrazena dvě čísla oddělená čárkou (6,0), která nazýváme (po řadě) hlavní číslo speciálního
souboru (major number) a vedlejší číslo speciálního souboru (minor number). Hlavní číslo je
identifikace typu zařízení (tiskárna, disk ...) a vedlejší určuje specifika konkrétní periferie
(např. o kterou periferii v pořadí se jedná a jakým způsobem bude ovládána).
Vzhledem k uvedenému příkladu může uživatel psát data na tiskárně ze souboru např.
"ztext" takto:
$ cat ztext > /dev/lp
Což mu umožní jednak přesměrování a jednak atribut přístupu pro zápis k souboru
"/dev/lp". Přestože je v mnohých instancích zápis na tiskárnu takto povolen, je lépe právo pro
zápis ponechat pouze superuživateli, a ostatním uživatelům umožnit tisk na tiskárnu pomocí
mechanismu spooling. To znamená, že požadavky na tisk jsou řazeny do fronty typu FIFO
(First In, First Out) a postupně odebírány a posílány do speciálního souboru operačním
systémem. Tisk přesměrováním dvou uživatelů současně totiž způsobí na tiskárně smíchání
obsahů obou souborů. Pomocí mechanismu spooling uživatel tiskne příkazem
$ lp ztext
printer-268
obsah souboru "ztext". Výpis textu "printer-268" je označení ve frontě požadavků na
tisk. V době tisku (nebo jen existence ve frontě) může uživatel použít
$ cancel printer-268
Počítače a programování 1 41
a tím požadavek z fronty zruší.
Jiný příklad je úschova dat na přenosné médium, jako je např. disketa nebo magnetická
páska. Magnetickou pásku využívá ve většině systémů pouze superuživatel pro úschovu dat a
v rámci celého systému souborů, takže speciální soubor magnetické pásky může např.
vypadat:
$ ls -l /dev/rmt
crw-rw---- 1 root root 10, 0 May 15 10:27 /dev/rmt
$
kde jsou práva pro zápis a čtení obyčejnému uživateli odebrána.
U diskety se předpokládá lokální úschova dat. Uživatel proto soubor
$ ls -l /dev/rfd
crw-rw-rw- 3 bin bin 2, 0 May 15 09:24 /dev/rfd
$
využívá pro zápis i čtení např. archivačním programem tar(1). Příkaz
$ tar cf /dev/rfd ztext
provede archivaci souboru "ztext" z pracovního adresáře na disketu (volba c=create je
vytvoření archivace, f=file znamená že následující argument příkazu je určení speciálního
souboru). tar(1) je definován při použití voleb bez znaku '-'.
$ tar tf /dev/rfd
vypíše obsah archivace (table) a
$ tar xf /dev/rfd ztext
soubor se jménem "ztext" z diskety přesouvá do pracovního adresáře (extract). Není-li
uvedeno jméno souboru, přesouván je celý obsah archivace.
Jména speciálních souborů se řídí konvencemi danými výrobcem, nikoliv obecnou
normou. Přesto existují zvyklosti pro jména speciálních souborů jako např.:
console operátorská konzola,
clock hodiny,
fd disketa,
dsk disk,
kmem operační paměť jádra,
lp tiskárna,
mem operační paměť,
mt klasická magnetická páska,
tty terminál.
kde uvedené texty zastupují pouze používaný základ jména, protože např. disketa pro
sekvenční přístup (po znacích) mívá předponu "r", tj. "rfd" (stejně tak mg. páska) a dále u více
připojených periferií stejného typu je příponou jména pořadí periferie, např. "tty00", "tty01",
...
Přístup k periferii je buď znakový nebo blokový. Typicky blokové zařízení je disk,
znakové terminál. Ale i s diskem můžeme pracovat sekvenčně po znacích, proto je i pro něj
vytvořen znakový speciální soubor. Znakový speciální soubor má při výpisu "ls -l" atributů v
prvním sloupci znak 'c', blokový znak 'b'.
42 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Speciální soubor vytváří privilegovaný uživatel pomocí příkazu mknod(1), kdy
respektuje všechny vazby na operační systém a připojené periferie (viz kap.9).
Změna atributů souboru (ať už obyčejného, adresáře, speciálního) znamená změnu dat v
i-uzlu. Uveďme si pro tyto změny několik příkladů.
Pomocí příkazu chown(1) můžeme měnit vlastníka souboru. Příkazem
$ chown root ztext
předáme vlastnictví souboru "ztext" uživateli "root". Opětné navrácení souboru uživateli
"petr" ale může uskutečnit pouze uživatel "root". Obdobně lze pomocí příkazu chgrp(1)
změnit příslušnost souboru ke skupině.
Příkaz chmod(1) mění přístupová práva souboru. Změnu můžeme zapsat buďto číselně,
např.
$ chmod 775 davka
což je specifikace v osmičkové soustavě přístupových práv. Souboru se jménem
"davka" budou přístupová práva nastavena způsobem
rwxrwxr-x
111111101
7 7 5
což odpovídá hodnotě v osmičkové soustavě jednotlivých cifer vždy pro trojici bitů
oprávnění. Mnemonický zápis vychází ze zadání vlastníka souboru (u=user), skupiny
(g=group), ostatních (o=others) nebo všech (a=all) uživatelů, a označení přístupových práv
"r" (r=read) pro čtení, "w" (w=write) pro zápis a "x" (x=execute) pro provádění. Dále je
možné vlastníkovi, skupině nebo ostatním právo nastavit (=), připojit (+) nebo odebrat(-).
Např.
$ chmod a=rx,g+w, u+w ztext
je nastavení, které odpovídá předchozímu příkladu s numerickým nastavením (nejprve
je všem nastaveno pouze právo čtení a provádění a dále je přístup pro zápis přiznán nejprve
skupině a pak vlastníkovi souboru).
Systém souborů je realizován na magnetickém médiu. Logická struktura magnetického
média je svazek (angl. je používán výraz filesystem, v překladu systém souborů). Ve struktuře
se vyskytuje nám známý výraz i-uzel. i-uzel je jednoznačná identifikace souboru, obsahuje
jeho atributy, s číslem i-uzlu je v adresáři spojeno jméno souboru. Číslo i-uzlu je jeho pořadí
v rámci oblasti i-uzlů. Velikost i-uzlu je 64 slabik a i-uzel obsahuje tyto informace:
► vlastníka souboru,
► typ souboru (obyčejný soubor, adresář ...),
► přístupová práva,
► datum a čas poslední manipulace se souborem,
► počet odkazů na soubor z různých míst stromu adresářů,
► tabulka datových bloků,
► velikost souboru.
Položka počet odkazů je možnost přístupu k témuž souboru z několika různých míst
systému souborů, např.:
$ pwd
/usr/petr
$ cat > sdileny
^d$
Počítače a programování 1 43
(vytvoření souboru s nulovou délkou). Za předpokladu, že soubor "sdileny" dosud v
pracovním adresáři ("/usr/petr") neexistoval, je z oblasti i-uzlů vybrán první neobsazený,
souboru je v adresáři přiděleno odpovídající číslo i-uzlu a současně s alokací položek i-uzlu je
nastaven počet odkazů na 1. Příkazem
$ ln sdileny ../jan/sdileny
vytváříme nový odkaz na tentýž i-uzel (za předpokladu, že existuje adresář "/usr/jan" a
jeho přístupová práva jsou pro nás příznivá).
Z obou adresářů je možný přístup k datům téhož souboru. Je-li "/usr/jan" domovský
adresář uživatele "jan" a v systému je současně přihlášen uživatel "petr" i "jan", současně ze
dvou různých terminálů je možné soubor "/usr/petr/sdileny" alias "/usr/jan/sdileny" číst a
současně do něj zapisovat (podle nastavených přístupových práv). Můžeme to prověřit
příkazem
$ ls -i sdileny
829 sdileny
$ ls -i ../jan/sdileny
829 ../jan/sdileny
$
když pomocí volby "-i" požadujeme kromě výpisu jména souboru i číslo odpovídajícího
i-uzlu.
Rušíme-li libovolný soubor (příkazem rm(1)), systém souborů (pomocí rutin jádra)
prohlíží i-uzel a snižuje hodnotu počtu odkazů o 1. Je-li po této dekrementaci hodnota větší
než 0, systém rozpojí pouze vazbu jméno souboru - i-uzel. Je-li ale hodnota i-uzlu nulová, i-
uzel je uvolněn ze seznamu alokovaných a převeden do seznamu volných, datový obsah
souboru je zrušen a soubor i se svou vnitřní strukturou zaniká. Např.:
$ rm sdileny
zruší odkaz z adresáře "/usr/petr". I-uzel zůstává alokován, s ním všechna data souboru.
$ rm ../jan/sdileny
zruší poslední odkaz na i-uzel a tím i soubor.
Uvedený způsob práce s více odkazy na jedna data se omezuje na práci s jedním
svazkem. Protože by takové zúžení bylo nepraktické, je možné použít odkaz na soubor, který
existuje na jiném svazku, k tomu má příkaz ln(1) volbu "-s". Odkaz na soubor jiného svazku
je nepřímý odkaz a v případě výpisu adresáře pomocí ls(1) jej rozpoznáme podle znaku 'l' v
prvním sloupci.Nepřímý odkaz je realizován příznakem v i-uzlu a tak, že v datové části je
uložena cesta k souboru na jiném svazku. Nepřímé odkazy přinášejí komplikace správci
systému, spojí-li svazky do stromu adresářů jinak než obvykle, protože v případě, že svazek
není připojen k odpovídajícímu adresáři, nepřímý odkaz nevede nikam (připojování svazků je
popsáno v následujícím textu).
Odkaz (přímý i nepřímý) může být vytvořen i na adresář, je to ale dovoleno pouze
privilegovanému uživateli.
Přístup k souboru v UNIXu je obecně vícenásobný. Za předpokladu vhodných
přístupových práv mohou uživatelé současně číst nebo i zapisovat do jednoho souboru
současně. Jádro pouze zajišťuje výlučný přístup k obsahu souboru v daném čase. V případě,
že data sdílí několik uživatelů (např. při práci na společném projektu), musí volit vedoucí
projektu (v součinnosti se správcem systému) jiné mechanismy pro zajištění konzistence dat.
Jedna z možností je zamykání určité části dat souboru proti zápisu (nebo i čtení) po
stanovenou dobu. Zamykání souboru je podporováno voláním jádra fcntl(2).
44 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
4.3.4 Procesy
Obdobně jako systém souborů, i procesy tvoří hierarchickou strukturu. Je-li nastartován
operační systém, tj. je-li spuštěno jádro, vzniká za jeho podpory proces nazývaný swapper
(někdy sched). Je to proces, který je identifikován jako proces č. 0. Jeho hlavním smyslem je
pracovat pro údržbu správy paměti, ale také, ihned na začátku své činnosti, sám vytváří další
proces pomocí odkazu na jádro. Tento další proces je nazýván init a má identifikační číslo 1.
Proces, který vznikne odkazem na jádro z jiného procesu, nazýváme procesem synovským
(child) vzhledem k procesu, který jej takto vytváří a který je označován jako otec nebo rodič
(parent). Žádosti o vznik dalšího procesu říkáme fork (rozvětvení) a proces jej uplatní pomocí
volání jádra fork(2). Proces init je otcem dalších procesů. Init udržuje několik úrovní stavu
systému, přitom je každá úroveň reprezentována množinou procesů, které init vytváří a
dohlíží na jejich stav. Hlavní dvě úrovně jsou označovány jako úroveň jednouživatelská a
úroveň víceuživatelská. Na úrovni jednouživatelské vytváří init jen několik dalších procesů,
které umožňují vstup do systému pouze jednomu uživateli, a to privilegovanému. Je to úroveň
pro údržbu a celkové změny v systému. Úroveň víceuživatelská je standardní úroveň pro běh
systému, kdy se interaktivně z terminálů uživatelé přihlašují do systému a pracují v něm.
Aby proces init umožnil uživateli vstup do systému, vytváří proces, jehož standardním
vstupem i výstupem je terminál.. Takový proces je nazýván getty a komunikuje s uživatelem
v době přihlašování. Procesům getty (jejich počet je dán počtem terminálů) jádro přiděluje pro
jednoznačnou identifikaci poslední přidělené číslo procesu zvýšené o 1. Proces getty se v
případě správného přihlášení mění na proces sh, který realizuje běžnou komunikaci uživatele
se systémem a je nazýván příkazovým interpretem (např. Bourne shell), sh na obrazovce
vypisuje znak '$' (nebo '#') a interpretuje příkazový řádek uživatele.
Příkazový řádek uživatele, např.
$ cat ztext
je interpretován procesem sh vytvořením nového procesu (voláním jádra fork(2)) se
jménem cat. Sh je tedy rodičem cat.
Část procesů běží v nekonečné smyčce, probouzí se přitom k akci na základě časového
limitu nebo pokynu jádra. Takovému procesu říkáme démon a příkladem může být právě
proces update, který periodicky řídí frontu tiskárny.
Identifikační číslo procesu má zkratku PID (process identification) a je to atribut
každého procesu pro jeho jednoznačné odlišení od ostatních procesů jádrem, uživatelem nebo
kterýmkoli procesem. PID je celé kladné číslo a je přidělováno nově vznikajícímu procesu
podle naposledy použité hodnoty zvýšené o 1. Hodnota PID v instalacích, kde pracuje několik
desítek uživatelů současně za nepřetržitého provozu systému několika dnů i týdnů, jistě
dosáhne nejvyšší možné hodnoty. Tehdy jádro začíná opět od hodnoty 0. Vynechává přitom
ta PID, která jsou přidělena aktivním procesům a měla by tak stejnou hodnotu.
Procesy můžeme rozdělit na systémové (systémem zvýhodňované) a ostatní. Systémový
proces je např. init, swapper, do skupiny ostatních patří sh, cat atd. Rozdíl mezi systémovýma
jiným procesem je zejména ve stanovení jeho dynamické priority, což je číselná hodnota,
podle které systém jednomu z procesů přidělí čas procesoru. Víceuživatelský operační systém
UNIX zajišťuje sdílení zdrojů výpočetního systému více uživatelům pomocí více procesů,
které běží zdánlivě současně. Ve skutečnosti jádro uděluje čas procesoru vždy jen jednomu
procesu a jen na omezenou dobu. Vyhoví tak v průběhu velmi krátkého časového intervalu
všem procesům, takže se zdá, že procesy běží (uživatelé pracují) současně. Měřítkem
přidělení času procesoru jednomu z procesů je dynamická priorita procesu. Je vypočtena pro
každý proces z jeho výchozí uživatelské priority, což je celé kladné číslo v intervalu obvykle
Počítače a programování 1 45
0-39 (menší hodnota znamená vyšší prioritu), a z času systému. Dynamická priorita je
vypočítávána všem procesům vždy po uplynutí 1 vteřiny, anebo na základě interakce procesu
jádrem. Protože interakce z terminálu znamená zpracování vstupu jádrem, zvýhodňovány jsou
procesy podporující práci u terminálu. Z vlastnosti zvýhodňování interaktivních procesů
jádrem plyne pro UNIX označení interaktivní operační systém. Hranicí v hodnotě výchozí
priority je hodnota 20, která je dělícím bodem mezi systémovými a jinými procesy. Žádný
obyčejný proces nemůže mít po dobu svého běhu nastavenu dynamickou prioritu na hodnotu
nižší, než je 20. Tím je co nejvíce zajištěna průchodnost systému a ochrana proti zahlcení.
Výchozí priorita při spuštění procesu je právě 20. Proces se ale může části své priority
vzdát ve prospěch ostatních. Při spouštění procesu např. lze psát
$ nice -5 find / -name core -print > fcore
kdy před vlastní příkaz find(1) připíšeme příkaz nice(1). Volba "-5" je hodnota, o kolik
bude výchozí priorita spouštěného procesu pro find(1) nižší. V našem případě bude výchozí
priorita procesu find 25. Napíšeme-li
$ nice find ...
výchozí priorita je implicitně snížena o 10 (je tedy 30). Privilegovaný uživatel může
prioritu spouštěného procesu i zvyšovat, a to způsobem
# nice -10 ...
takže výchozí priorita je o 10 zvýšena (20 - 10 = 10, výchozí priorita je 10).
Dříve než může být procesu přidělen procesor, musí být proces zaveden do operační
paměti. Ve chvíli, kdy je proces vytvořen, je snahou jádra přidělit mu požadovanou paměť.
Není-li dostatečně velká požadovaná paměť volná, jádro uplatňuje na procesy v operační
paměti algoritmy se snahou odsunout některé procesy mimo paměť a zajistit tak dostatek
volné paměti pro nový proces. Orientace jádra zde vychází z posouzení doby procesu již
strávené v paměti. Proces nejdéle sídlící v paměti je odsunut. Místo, kam jsou procesy z
paměti odsouvány a odkud jsou opět po čase do paměti zavlékány, je disková paměť
označovaná jako odkládací oblast. Odkládací oblast je dána parametry jádra a je situována
mimo jakýkoliv svazek systému souborů. Pro práci s odkládací oblastí jádro používá proces s
PID=0 označovaný jako swapper.
Texty fork, sleep a exit vyjadřují odpovídající volání jádra po řadě pro vytvoření
procesu, neaktivní čekání procesu po stanovený interval nebo od