İŞLETİM SİSTEMLERİ

Von-Neumann mimarisinde yer alan temel bileşenler bellek, aritmetik mantık birimi, kontrol birimi, veri yolları ve giriş/çıkış birimleridir.

Bilgisayarda işlenen kodlar, kullanıcı uygulamalarının kodları ve işletim sistemi kodları olmak üzere sınıflanmaktadır. Donanımsal düzeyde bu ayrımı yapmak için mod biti kullanılmaktadır. İşletim sistemi kodlarında mod biti çekirdek moduna (0), kullanıcı uygulaması kodlarında ise kullanıcı moduna (1) alınmaktadır.

Yakalama (trap): Yazılımlar tarafından, bir hata (ör: sıfıra bölünme isteği) ya da işletim sisteminin sunduğu bir servise yönelik isteği belirtmek için yayınlanan kesmelerdir.

Yazmaç (register): Merkezi işlem birimlerinin içinde yer alan küçük boyutlu ve çok hızlı erişilebilen bir bellek türüdür.

İşletim sistemi katmanı, veri ve veri üzerinde düzenleme yapabilen işlevlerden oluşan soyut bir yapıdır. İşletim sistemleri arasında genel bir birliktelik olmamakla birlikte, katmanlı yaklaşımda beş temel katmandan bahsedilebilir. Çekirdek, Bellek Yönetimi, Giriş/Çıkış Sitemi, Dosya Yönetim sistemi ve Kullanıcı Arayüzü.

İşletim sisteminin en alt katmanı çekirdektir. Çekirdek, tüm işletim sistemindeki kaynakların (bellek, zaman, işlemci) paylaşılmasından ve düzenlenmesinden sorumludur. Çoklu görev, süreç kontrolü, hata yakalama ve kesme yönetimi gibi işlemlerin tümü çekirdek tarafından gerçekleştirilmektedir.

Küçük çaplı ve kısıtlı işlevleri yerine getirmek için üretilen bu sistemler, kullanım süreçlerinde evirilmiştir. MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System – Microsoft Disk İşletim Sistemi) ve UNIX bu tür işletim sistemlerine örnek olarak verilebilir.

İşletim sistemlerinin tarihi gelişimi incelendiğinde öncelikle basit yapılı yekpare sistemler in geliştirildiği görülmektedir. Bu sistemlerde gözlemlenen sorunlar nedeniyle işlevlerin daha kesin tanımlandığı katmanlı sistemlere geçilmiştir. İşletim sistemlerinde güncel eğilimin güvenlik ve performansı birleştiren hibrit sistemlere doğru geliştiği gözlenmektedir. Bu yaklaşımlara ek olarak Modüler ve Mikro çekirdek yaklaşımları bulunmaktadır. Modüler yaklaşım eklenebilir çekirdek modülleri kullanılmasını öngörürken, Mikro çekirdek fikri UNIX çekirdeğinin süreç
içerisinde yönetilmesi zor bir yapı hâline gelmesinden hareketle ortaya konmuştur.

Mikro çekirdek yaklaşımı üretilen ilk işletim sistemi Mach’tir.

Modüler yaklaşımda mikro çekirdek yapısından diğer bir farkı ise modüllerin haberleşmek için çekirdeğe bağlı olmamasıdır.

Bellek ve Veri Yolu temel bileşenlerden iken Yazmaç ise Merkezi işlem birimlerinin içinde yer alan küçük boyutlu ve çok hızlı erişilebilen bir bellek türüdür.

Bir yönergenin bilgisayar sistemindeki yaşam döngüsü şu şekilde özetlenebilir. Başlangıçta kontrol, işletim sisteminin elindedir ve yönergeler çekirdek modunda işletilmektedir. Kontrol, kullanıcı programlarına devredildiğinde işlemci kullanıcı moduna geçirilir (a).
Kullanıcı, uygulamaları özel izin gerektiren işlemler için sistem çağrılarını kullanır. Sistem çağrıları sayesinde çekirdek kullanıcı programları adına işlem yapabilmektedir. Sistem çağrıları kullanılan işlemcinin yapısına bağlı olarak birden fazla yöntemle oluşturulabilir. Fakat bu yöntemlerin tümü, süreçlerin, işletim sisteminden istek yapmaları için kullanılır. Bir sistem çağrısı genellikle bir kesme vektöründeki yakalama halindedir. Sistem çağrıları, çalıştırıldıklarında, genellikle donanım tarafından uygulama kesmesi olarak ele alınırlar. Kontrol, kesme vektörü yoluyla işletim sistemine geçer ve çekirdek moduna geçilir (b).
Sistem çağrısı servisi işletim sistemlerinin bir parçasıdır. Çekirdek, kesmedeki parametreleri inceleyerek ne tür bir sistem çağrısı gerçekleştirildiğine karar verir. Çekirdek, bu parametrelerin doğruluğunu ve geçerliğini kontrol ettikten sonra isteği isleme koyar. İşlem sonucu gerekli yerlere ulaştırıldıktan sonra (ör. okunan veri belleğe yazıldıktan sonra) sistem kontrolü kullanıcı uygulamasına devredilir (c).

İşletim sisteminin en altında Çekirdek katmanı yer almaktadır.

Kullanıcı Arayüzü: Kullanıcının işletim sistemi ile etkileşime girmesine olanak sağlayan katmandır.
Dosya Yönetim Sistemi: Veri saklama birimlerindeki dosyaların organizasyonu ve yönetilmesinden sorumlu katmandır.
Giriş/Çıkış Sistemi: Klavye, fare, disk sürücü gibi harici donanımlarla fiziksel iletişimden sorumlu katmandır.
Bellek Yönetimi: Bilgisayarın fiziksel belleğinin süreçler ve programlar arasındaki paylaşımından ve yönetiminden sorumlu katmandır. Bellek yönetimi katmanı aynı zamanda programlara ayrılan belleğin güvenliğini de sağlar.
Çekirdek: İşletim sisteminin en alt katmanı çekirdektir. Çekirdek, tüm işletim sistemindeki kaynakların paylaşılmasından ve düzenlenmesinden sorumludur. Çoklu görev, süreç kontrolü, hata yakalama ve kesme yönetimi gibi işlemlerin tümü çekirdek tarafından gerçekleştirilmektedir.

Microsoft Windows işletim sisteminin 3.x, 95, 98 ve ME sürümleri MS-DOS üzerine çalışan grafiksel uygulamalar olarak tasarlanmıştır. NT sürümüyle birlikte yeni çekirdekler üretilmiş ve MS-DOS Windows işletim sisteminin bir parçası olmaktan çıkarılmıştır. Bundan sonraki Windows sürümlerinde sadece DOS programlarının yürütülebilmesi için özellikleri azaltılmış versiyonları barındırılmıştır.

Şekilde UNIX işletim sisteminin yapısı verilmiştir. Sinyaller ve terminal yönetimi, çekirdek yapısı içerisinde yer alır.

Bellek yönetimi mikro çekirdek içerisinde yer alırken, Dosya sistemi ve Aygıt sürücüsü ile mesajlar vasıtasıyla iletişim sağlanmaktadır ve çekirdeğin dışında yer alırlar.

Tüm servisler kullanıcı katmanında eklendiğinden yeni servislerin eklenmesi işletim sistemi çekirdeğinde güncelleme gerektirmez.

Mikro çekirdek yaklaşımından farklı olarak işlevler kullanıcı katmanında çalıştırılmaz. Bunun yerine, işlevler sistem açılısında ya da ihtiyaç anında çekirdeğe eklenir. Bu yaklaşımın mikro çekirdek yapısından diğer bir farkı ise modüllerin haberleşmek için çekirdeğe bağlı olmamasıdır. Modüller doğrudan birbirleri ile haberleşebilmektedir. Modüler yaklaşımın diğer bir avantajı ise sistemin kolaylıkla genişletilebilmesidir. İşlevlerin çekirdeğe doğrudan entegre edilmediğinden, işlev eklemek için yen iden derlemeye gerek duyulmaz. Bunun yerine işlevler modül olarak çekirdeğe bağlanır ve doğrudan diğer modüllerle etkileşime geçebilir. Örneğin, bellek yönetimi ve işlemci zamanlaması gibi temel işlevler çekirdekte barındırılırken, farklı dosya sistemleri (FAT32, NTFS, ExFAT vb.) için destek, modüller ile sağlanabilir.

Android işletim sistemi Google’ın basını çektiği Open Handset All_ance tarafından üretilmiştir. Akıllı telefonlar ve tabletler üzerinde kullanılmaktadır.