Operating Systems - NSWI200

• Title: Operační systémy
• Form of teaching: lecture+practicals
• Guaranteed by: Department of Distributed and Dependable Systems (32-KDSS)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2026
• Duration in semesters: 1
• Semester: winter
• E-Credits: 5
• Hours per week, examination: winter s.:2/2, MC [HT]
• Capacity: unlimited
• Maximum number of enrolled students: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech, English
• Teaching methods: full-time
• Additional information: https://d3s.mff.cuni.cz/t/nswi200
• Repeated enrollment: 2 / 2 / 2 / 2
• Guarantor: prof. Ing. Petr Tůma, Dr.
• Teacher(s): doc. Ing. Lubomír Bulej, Ph.D.; PhDr. Viktor Fuglík, Ph.D.; Mgr. Vojtěch Horký, Ph.D.; prof. Ing. Petr Tůma, Dr.
• Class: Informatika Mgr. - Softwarové systémy
• Classification: Informatics > Software Engineering
• Incompatibility : NSWI004, NSWX004
• Interchangeability : NSWI004, NSWX004
• Is co-requisite for: NSWI199
• Is incompatible with: NSWI004
• Is interchangeable with: NSWI004

Annotation

English

The course provides information on the operating system architecture and the features of process management, memory management, device drivers, file systems, networking, security. All features are shown on contemporary operating systems, implementation of selected features is practiced while creating an educational operating system. Note for combined study programs: the course requires activity during semester.

Last update: Hnětynka Petr, doc. RNDr., Ph.D. (04.01.2023)

Czech

Předmět poskytuje informace o architektuře operačních systémů a funkcích správy procesů, správy paměti, ovladačů periferií, systémů souborů, sítí, bezpečnosti. Všechny funkce jsou ilustrovány na současných operačních systémech, implementace vybraných funkcí je procvičována tvorbou výukového operačního systému. Upozornění pro studenty kombinovaného studia: předmět vyžaduje práci během semestru.

Last update: Hnětynka Petr, doc. RNDr., Ph.D. (04.01.2023)

Aim of the course

English

• Introduce operating system abstractions, architectures and mechanisms for resource management and protection.

• Explain processes, threads, context switching and scheduling mechanics.

• Explain heap organization and garbage collection, analyze the associated overheads.

• Connect binary program representation and in memory data structure organization to process execution.

• Apply techniques for concurrent programming using atomics and synchronization primitives, with awareness of memory ordering.

• Explain virtual memory mechanisms, paging applications and replacement policies across the memory hierarchy.

• Connect interrupt processing, hardware and system interfaces to device driver organization and device operation.

• Explain storage layout techniques used to implement file system abstractions.

• Develop practical skills in inspecting, implementing and debugging system code.

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (30.10.2026)

Czech

• Představit abstrakce a architektury operačních systémů a mechanismy správy a ochrany zdrojů.

• Vysvětlit koncepty procesů a vláken, přepínání kontextu a mechanismy plánování.

• Vysvětlit organizaci heapu a garbage collection, analyzovat související režii.

• Propojit binární reprezentaci programu a uspořádání datových struktur v paměti s během procesů.

• Používat techniky psaní paralelního kódu s atomickými operacemi a synchronizačními primitivy, včetně znalosti memory modelů.

• Vysvětlit mechanismy virtualizace paměti a využití stránkování, popsat strategie výběru oběti napříč paměťovou hierarchií.

• Vysvětlit organizaci ovladačů a fungování zařízení v kontextu obsluhy přerušení a hardwarových a systémových rozhraní.

• Vysvětlit způsoby uspořádání diskových dat pro implementaci abstrakcí souborových systémů.

• Rozvíjet praktické dovednosti při čtení, implementaci a ladění systémového kódu.

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (30.10.2026)

Course completion requirements

English

The course includes tests and practical assignments, graded on a point scale. The grading reflects activity and for practical assignments correctness and additional evaluation criteria (documentation, design, style). Course credit requires solving the basic variant of all practical assignments and presenting the solution, the overall grade is determined from the point total. All practical assignments may be revised an unlimited number of times after the initial submission, up until the final assignment assessment deadline.

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (31.08.2026)

Czech

Během semestru se řeší testy a praktické úlohy, které jsou hodnoceny na bodové stupnici. Hodnocení odráží u testů účast a u praktických úloh správnost a další vlastnosti řešení (dokumentace, kvalita návrhu, styl). K úspěšnému zakončení předmětu je nutné splnit základní varianty všech praktických úloh a řešení prezentovat, výsledná známka je pak určena podle celkového počtu získaných bodů. Všechny praktické úlohy lze po odevzdání opravovat bez omezení počtu pokusů až do data závěrečného hodnocení úloh.

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (31.08.2026)

Literature

English

Materials and Main Textbook

• Operating Systems Self-Study Modules. https://d3s.mff.cuni.cz/teaching/operating-systems

• Arpaci-Dusseau et al.: Operating Systems: Three Easy Pieces. http://www.ostep.org

Additional Textbooks

• Anderson et al.: Operating Systems Principles and Practice

• Silberschatz et al.: Operating System Concepts

• Tanenbaum et al.: Modern Operating Systems

References

• RISC-V Instruction Set Manual Volume I: Unprivileged ISA

• RISC-V Instruction Set Manual Volume II: Privileged Architecture

• Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (30.10.2026)

Czech

Materiály a hlavní učebnice

• Operating Systems Self-Study Modules. https://d3s.mff.cuni.cz/teaching/operating-systems

• Arpaci-Dusseau et al.: Operating Systems: Three Easy Pieces. http://www.ostep.org

Další učebnice

• Anderson et al.: Operating Systems Principles and Practice

• Silberschatz et al.: Operating System Concepts

• Tanenbaum et al.: Modern Operating Systems

Reference

• RISC-V Instruction Set Manual Volume I: Unprivileged ISA

• RISC-V Instruction Set Manual Volume II: Privileged Architecture

• Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (30.10.2026)

Syllabus

English

1. Operating system architecture - resource management, abstractions, architectures, privileged operations. Machine program representation.

2. Process code and stack - process memory layout, linking, relocation, addressing, stack frames.

3. Explicit heap management - interfaces, metadata, allocation strategies, fragmentation and allocation overheads.

4. Garbage collected heaps - reachability, roots, reference counting and tracing, generations, concurrency and overheads.

5. Processes and threads - process and thread context, context switching, scheduling goals and strategies.

6. Synchronization principles - races with interleaving semantics, critical sections, atomicity, locks.

7. Synchronization tools - lock construction, semaphores and condition variables.

8. Memory models - memory access optimizations, cache coherence, ordering.

9. Paging principles - address space isolation, virtual and physical addresses, page tables, address translation, handling faults.

10. Paging algorithms and applications - demand paging, file mappings, shared memory, copy on write, evaluation of replacement policies.

11. System calls and interrupts - kernel entry, conventions, device controller registers, interrupt handling and direct memory access.

12. Device interfaces and drivers - driver architecture, request queues, deferred interrupt service, hardware and kernel facing interfaces.

13. File systems - interfaces, metadata and open file state, FAT and UNIX style storage layouts, access costs and consistency risks.

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (30.10.2026)

Czech

1. Architektura operačních systémů - správa zdrojů, abstrakce, architektury, privilegované operace. Strojová reprezentace programu.

2. Kód a zásobník procesu - rozložení paměti procesu, linkování, relokace, adresování, zásobníkové rámce.

3. Explicitní správa heapu - rozhraní, metadata, alokační strategie, fragmentace a režie alokace.

4. Heap s garbage collection - dosažitelnost, kořeny, počítání referencí a trasování, generace, pauzy a režie.

5. Procesy a vlákna - kontext procesu a vlákna, přepínání kontextu, cíle a algoritmy plánování.

6. Principy synchronizace - časově závislé chyby při prokládání kroků, kritické sekce, atomicita, zámky.

7. Synchronizační nástroje - konstrukce zámků, semafory a podmínkové proměnné.

8. Paměťové modely - optimalizace přístupů do paměti, koherence cache, uspořádání přístupů do paměti.

9. Principy stránkování - izolace adresových prostorů, virtuální a fyzické adresy, stránkovací tabulky, překlad adres, obsluha výpadků.

10. Algoritmy a využití stránkování - stránkování na žádost, mapování souborů do paměti, sdílená paměť, copy on write, strategie výběru oběti.

11. Systémová volání a přerušení - přepnutí privilegií, konvence, registry řadičů zařízení, obsluha přerušení a přímý přístup do paměti.

12. Rozhraní zařízení a ovladače - architektura ovladačů, fronty požadavků, odložená obsluha přerušení, rozhraní hardware a systému.

13. Souborové systémy - rozhraní, metadata, otevřené soubory, uspořádání dat na disku ve FAT a UNIX systémech, rizika porušení konzistence.

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (30.10.2026)

Learning outcomes

English

On successful completion of the course, students will be able to:

• Explain operating system abstractions, describe common system architectures and identify privileged operations.

• Inspect system code, explain process memory layout, linking and relocation.

• Describe stack frames and explain stack variable addressing.

• Implement a free-list heap allocator, compare allocation strategies and estimate fragmentation and allocation overheads.

• Determine reachability, explain tracing garbage collection techniques and estimate garbage collection overheads.

• Distinguish process and thread state, explain context switch code, and assess and choose scheduling strategies.

• Construct execution interleavings exposing races, protect shared state with locks and implement locks.

• Use condition variables and semaphores for thread coordination and resource access.

• Identify data races and repair them using synchronization tools.

• Explain address translations using hierarchical page tables.

• Describe page fault handling and explain protection and translation caching.

• Explain demand paging and copy on write, and compare replacement policies across the memory hierarchy.

• Trace system call and interrupt handling, and implement a simple interrupt driven driver with a request queue.

• Use file system interfaces, explain basic file system layouts, estimate access costs and illustrate consistency risks.

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (30.10.2026)

Czech

Po úspěšném absolvování předmětu budou studenti schopni:

• Vysvětlit abstrakce poskytované operačními systémy, popsat běžné systémové architektury a rozpoznat privilegované operace.

• Číst systémový kód, vysvětlit rozložení paměti procesu, linkování a relokaci.

• Popsat zásobníkové rámce a vysvětlit adresování proměnných na zásobníku.

• Implementovat alokátor heapu se seznamem volných bloků, porovnat alokační strategie a odhadnout fragmentaci a režii alokace.

• Určit dosažitelnost objektů, vysvětlit techniky garbage collection založené na trasování a odhadnout režii garbage collection.

• Rozlišit stav procesu a vlákna, vysvětlit kód přepínání kontextu a posoudit a zvolit strategie plánování.

• Sestavit prokládání kroků vláken vedoucí k časově závislým chybám, používat a implementovat zámky.

• Používat podmínkové proměnné a semafory ke koordinaci vláken a řízení přístupu ke zdrojům.

• Rozpoznat data races a odstranit je pomocí synchronizačních nástrojů.

• Vysvětlit překlad adres pomocí hierarchických stránkovacích tabulek.

• Popsat obsluhu výpadků stránek a vysvětlit ochranu paměti a ukládání překladů adres do cache.

• Vysvětlit stránkování na žádost a copy on write a porovnat strategie výběru oběti napříč paměťovou hierarchií.

• Popsat kroky obsluhy systémových volání a přerušení a implementovat jednoduchý ovladač zařízení s přerušeními a frontou požadavků.

• Používat rozhraní souborových systémů, popsat uspořádání dat na disku, odhadnout náklady přístupu a ilustrovat rizika porušení konzistence.

Last update: Tůma Petr, prof. Ing., Dr. (30.10.2026)