• Εισαγωγή στα λειτουργικά συστήματα, γενιές λειτουργικών συστημάτων και ειδικές κατηγορίες λειτουργικών συστημάτων.
• Δομή και οργάνωση λειτουργικών συστημάτων, μηχανισμοί και πολιτικές.
• Η έννοια της διεργασίας και του νήματος, κύκλος ζωής διεργασίας/νήματος, μεταγωγή περιβάλλοντος.
• Αλγόριθμοι χρονοδρομολόγησης διεργασιών/νημάτων στον επεξεργαστή.
• Συγχρονισμός: ανάγκη, αλγόριθμοι και υλοποιήσεις, διάσημα προβλήματα.
• Η έννοια του αδιεξόδου, συνθήκες αδιεξόδου, αποφυγή / εντοπισμός και άρση αδιεξόδων.
• Τμηματοποίηση μνήμης (1 ή πολλαπλά τμήματα), μηχανισμοί υλοποίησης, το πρόβλημα του εξωτερικού κατακερματισμού.
• Σελιδοποίηση μνήμης, μηχανισμοί σελιδοποίησης, το πρόβλημα του εσωτερικού κατακερματισμού, επιλογή μεγέθους σελίδας, πίνακες σελίδων (επίπεδοι και ιεραρχικοί), η χρήση του Translation Lookaside Buffer (TLB).
• Χρήση δίσκου ως επίπεδο της ιεραρχίας μνήμης (swapping), μηχανισμός swapping, σφάλματα σελίδας.
• Πολιτικές αντικατάστασης σελίδων, το παράδοξο Belady, επίδοση cache, λυγισμός, η έννοια του λειτουργικού συνόλου, σχέση χρονοδρομολόγησης και πολιτικών διαχείρισης μνήμης.
• Διαχείριση ιδεατής μνήμης σε επίπεδο χρήστη, πολιτικές, πρότυπα χρήσης μνήμης από προγράμματα, διαφορές διαχείρισης μνήμης σε επίπεδο χρήστη και πυρήνα, επιστροφή μνήμης και garbage collection.
• Οργάνωση δίσκων, καθυστερήσεις στους δίσκους, αλγόριθμοι δρομολόγησης του βραχίονα δίσκου, δίσκοι SSD.
• Οργάνωση συστημάτων αρχείων, caching συστήματος αρχείων, πολιτικές αντικατάστασης στην cache του συστήματος αρχείων, προμεταφορές στην cache, αστοχίες, συστήματα αρχείων με ημερολόγιο, το σύστημα αρχείων Unix FFS, το εικονικό σύστημα αρχείων VFS.
• Βασικές αρχές κωδικοποίησης, οργάνωση συστημάτων αποθήκευσης RAID.
• Χειρισμός εισόδου/εξόδου, polling, διακοπές, η έννοια και η χρήση DMA.
• Μηχανισμοί και πολιτικές προστασίας, ταυτοποίηση, authorization, επιβολή, διάσημες επιθέσεις.
• Κρυπτογράφηση (με μυστικό κλειδί, δημόσιου κλειδιού), ψηφιακή υπογραφή, checksums, διαμοίραση κλειδιού, trusted servers, trusted computing base, κίνδυνοι διαμοίρασης κλειδιού.
• Εικονικές μηχανές (virtualization) και ζητήματα διαχείρισης πόρων σε εικονικές μηχανές.
• Ζητήματα διαχείρισης ισχύος από το λειτουργικό σύστημα.

Το μάθημα περιλαμβάνει σειρά ομαδικών (σε ομάδες 2-3 φοιτητών) προγραμματιστικών εργασιών για το σπίτι, στις οποίες οι φοιτητές εξοικειώνονται με τον κώδικα ενός πραγματικού λειτουργικού συστήματος (Linux) και καλούνται να προσθέσουν νέες, απλές υπηρεσίες ή να αλλάξουν ήδη υπάρχουσες (κλήσεις συστήματος / modules, χρονοδρομολόγηση επεξεργαστή, διαχείριση μνήμης, διαχείριση δίσκου).

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής / τρια είναι σε θέση να:

1. Γνωρίζει τις βασικές υπηρεσίες των λειτουργικών συστημάτων και τους βασικούς μηχανισμούς και πολιτικές που υλοποιούν αυτούς τους μηχανισμούς.
2. Αντιλαμβάνεται το εύρος των σχεδιαστικών επιλογών για κάθε μηχανισμό / πολιτική του λειτουργικού συστήματος και τα πλεονεκτήματα / μειονεκτήματα της καθεμιάς επιλογής.
3. Αξιολογεί αλλά και προβλέπει την αλληλεπίδραση μεταξύ λειτουργικού συστήματος και του λογισμικού εφαρμογών και τις συνέπειες αυτής της αλληλεπίδρασης στην επίδοση του συστήματος.
4. Αναγνωρίζει στον κώδικα πραγματικού λειτουργικού συστήματος τις πολιτικές / μηχανισμούς που έχει διδαχθεί.
5. Μεταβάλλει την υλοποίηση υπαρχουσών πολιτικών / μηχανισμών ή να προσθέτει νέες πολιτικές / μηχανισμούς.
6. Εργάζεται με μεγάλα συστήματα λογισμικού (όπως το λειτουργικό σύστημα) χρησιμοποιώντας τα αντίστοιχα εργαλεία (make, compiler, diffs, patches, kernel debugger, virtual machines).
7. Εργάζεται συνεργατικά, σε μικρές ομάδες, και να διαχειρίζεται έργα σε μεγάλα συστήματα λογισμικού με συγκεκριμένους χρονικούς περιορισμούς.

Ι. Περιοδικές προγραμματιστικές εργασίες για το σπίτι που συμμετέχουν κατα 40% στον τελικό βαθμό. Στις ασκήσεις, οι οποίες εκτελούνται σε ομάδες 2 ή 3 φοιτητών οι φοιτητές καλούνται να μεταβάλλουν, με απλό τρόπο, υπηρεσίες του λειτουργικού συστήματος ή να προσθέσουν νέες . Αξιολογούνται (σε παρένθεση ο αριθμός του αντίστοιχου μαθησιακού στόχου):

• Η ποιότητα των σχεδιαστικών επιλογών (ii).
• Η ορθότητα και κομψότητα της υλοποίησης (v).
• Η ενσωμάτωση στον υπόλοιπο κώδικα του συστήματος (iv).
• Η πειραματική μελέτη και η θεωρητική εξήγηση της επίδοσης των υλοποιούμενων μηχανισμών / πολιτικών (iii).
• Η ορθή χρήση των εργαλείων (vi).
• Η χρονική οργάνωση και ο καταμερισμός σε άτομα των δραστηριοτήτων της εργασίας (vii).

II. Γραπτή τελική εξέταση στην τάξη, που συμμετέχει κατά 60% στον τελικό βαθμό. Περιλαμβάνει ερωτήσεις ελεύθερης ανάπτυξης, ερωτήσεις κρίσης, ερωτήσεις που απαιτούν την εφαρμογή συγκεκριμένων μεθόδων / πολιτικών και την εκτίμηση της επίδοσής τους, καθώς και ερωτήσεις που απαιτούν την τροποποίηση μηχανισμών / πολιτικών που διδάχθηκαν ώστε να χρησιμοποιηθούν σε περισσότερο εξειδικευμένο πλαίσιο απαιτήσεων. Αξιολογούνται (σε παρένθεση ο αριθμός του αντίστοιχου μαθησιακού στόχου)

• Η γνώση των βασικών χαρακτηριστικών του Λειτουργικού Συστήματος και των μηχανισμών / πολιτικών του (I).
• Η αντίληψη των μειονεκτημάτων / πλεονεκτημάτων κάθε λύσης (ii).
• Η εφαρμογή σε συγκεκριμένα σενάρια χρήσης και η αξιολόγηση της επίδοσης διαφορετικών μηχανισμών / πολιτικών (iii).
• Η ικανότητα σύνθεσης νέων μηχανισμών / πολιτικών ή επέκτασης όσων διδάχθηκαν όστε να εφαρμοσθούν σε εξειδικευμένα σενάρια χρήσης (iv).

Τα κριτήρια και ο αλγόριθμος αξιολόγησης βρίσκονται αναρτημένα στην ιστοσελίδα του μαθήματος και άρα είναι διαθέσιμα στους φοιτητές.

• Εισαγωγή στα λειτουργικά συστήματα, γενιές λειτουργικών συστημάτων και ειδικές κατηγορίες λειτουργικών συστημάτων. Δομή και οργάνωση λειτουργικών συστημάτων, μηχανισμοί και πολιτικές. (1 εβδομάδα)
• Η έννοια της διεργασίας και του νήματος, κύκλος ζωής διεργασίας/νήματος, μεταγωγή περιβάλλοντος. (1 εβδομάδα)
• Αλγόριθμοι χρονοδρομολόγησης διεργασιών/νημάτων στον επεξεργαστή. (1,5 εβδομάδα)
• Συγχρονισμός: ανάγκη, αλγόριθμοι και υλοποιήσεις, διάσημα προβλήματα. Η έννοια του αδιεξόδου, συνθήκες αδιεξόδου, αποφυγή / εντοπισμός και άρση αδιεξόδων. (1, 5 εβδομάδα)
• Τμηματοποίηση μνήμης (1 ή πολλαπλά τμήματα), μηχανισμοί υλοποίησης, το πρόβλημα του εξωτερικού κατακερματισμού. (1 εβδομάδα)
• Σελιδοποίηση μνήμης, μηχανισμοί σελιδοποίησης, το πρόβλημα του εσωτερικού κατακερματισμού, επιλογή μεγέθους σελίδας, πίνακες σελίδων (επίπεδοι και ιεραρχικοί), η χρήση του Translation Lookaside Buffer (TLB). (1,5 εβδομάδα)
• Χρήση δίσκου ως επίπεδο της ιεραρχίας μνήμης (swapping), μηχανισμός swapping, σφάλματα σελίδας. Πολιτικές αντικατάστασης σελίδων, το παράδοξο Belady, επίδοση cache, λυγισμός, η έννοια του λειτουργικού συνόλου, σχέση χρονοδρομολόγησης και πολιτικών διαχείρισης μνήμης. (1 εβδομάδα)
• Διαχείριση ιδεατής μνήμης σε επίπεδο χρήστη, πολιτικές, πρότυπα χρήσης μνήμης από προγράμματα, διαφορές διαχείρισης μνήμης σε επίπεδο χρήστη και πυρήνα, επιστροφή μνήμης και garbage collection. (0,5 εβδομάδα)
• Οργάνωση δίσκων, καθυστερήσεις στους δίσκους, αλγόριθμοι δρομολόγησης του βραχίονα δίσκου, δίσκοι SSD. (1 εβδομάδα)
• Οργάνωση συστημάτων αρχείων, caching συστήματος αρχείων, πολιτικές αντικατάστασης στην cache του συστήματος αρχείων, προμεταφορές στην cache, αστοχίες, συστήματα αρχείων με ημερολόγιο, το σύστημα αρχείων Unix FFS, το εικονικό σύστημα αρχείων VFS. (1 εβδομάδα)
• Βασικές αρχές κωδικοποίησης, οργάνωση συστημάτων αποθήκευσης RAID. (0,5 εβδομάδα)
• Χειρισμός εισόδου/εξόδου, polling, διακοπές, η έννοια και η χρήση DMA. (0,5 εβδομάδα)
• Μηχανισμοί και πολιτικές προστασίας, ταυτοποίηση, authorization, επιβολή, διάσημες επιθέσεις.
• Κρυπτογράφηση (με μυστικό κλειδί, δημόσιου κλειδιού), ψηφιακή υπογραφή, checksums, διαμοίραση κλειδιού, trusted servers, trusted computing base, κίνδυνοι διαμοίρασης κλειδιού. (1 εβδομάδα)
• Εικονικές μηχανές (virtualization) και ζητήματα διαχείρισης πόρων σε εικονικές μηχανές. Ζητήματα διαχείρισης ισχύος από το λειτουργικό σύστημα. (1 εβδομάδα)