1-Einleitung - hs-rm.deweber/bsbach/ws09/1-Einleitung.pdfR. Brause, Betriebssysteme – Grundlagen und Konzepte, 2. ... Marktdominierende Betriebssysteme: MS-DOS und UNIX. Netzwerkbetriebssysteme

1

WS 2009/10

Version vom 05.10.2009

Betriebssysteme © H. Weber, FH WiesbadenÜbersicht Folie 2

Organisation

Leitung: Helmut WeberPraktikum: Carlos Dos Santos, Helmut Weber

Vorlesung: 2-stündig

Praktikumsgruppen : 2-stündig

Klausur am Semesterende

Praktikum:

2 Online-Aufgaben (je 30 %) weitere 3 Aufgaben (je 10%) mündl. Leistungen, Praktikumsordner (10%)

2


Literatur I

R. Brause, Betriebssysteme – Grundlagen und Konzepte, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2001A.S. Tanenbaum, Moderne Betriebssysteme, 2. Auflage, Pearson-Verlag 2002C. Vogt, Betriebssysteme, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001J. Nehmer, P. Sturm, Systemsoftware – Grundlagen moderner Betriebssysteme, dpunkt-Verlag, Heidelberg 1998A. Silberschatz, P. Gavin, G. Gagne, Applied Operating Systems Concepts, John Wiley&Sons, New York 2000


Literatur II

W. Stallings, Operating Systems, Prentice Hall, New Jersey 1998

G. Nutt, Operating Systems, Addison-Wesley, Reading 2000

L. Bic, A. Shaw, Betriebssysteme, Hanser-Verlag, 1988

E. Glatz, Betriebssysteme Grundlagen, Konzepte, Systemprogrammierung, dpunkt-Verlag, 2005

R.A. Finkel, An Operating Systems Vade Mecum,Prentice Hall – bei uns als PDF-File vorhanden

H. Weber, Praktische Systemprogrammierung, Vieweg, Wiesbaden 1998

3


Inhalt der Vorlesung

Übersicht

Prozesse

Prozeßsynchronisation

Speicherverwaltung

Dateiverwaltung

Ein- und Ausgabeverwaltung


Rechner und Handys sind zu Beginn der Veranstaltung ausDozent und Hörer sind pünktlichEs redet nur eine PersonBei Fragen und Problemen sofort melden / fragenEs wird Eigeninitiative und selbständiges Arbeiten erwartetEine Vorlesung ist keine (wöchentliche) Fernsehserie!aktive Mitarbeit erwünscht und erforderlich

Spielregeln der LV Betriebssysteme I

4


Eine Vorlesung wird von den Hörern und vom Dozenten gestaltetNicht nur die Studierenden, sondern auch der Dozent will motiviert werdenUmfangreiche Vor- und Nachbereitung notwendigLernen nur kurz vor der Klausur ist tödlich!(kontinuierliches Lernen)Im Praktikum ist viel eigene Programmierarbeit erforderlich

Spielregeln der LV Betriebssysteme II

Übersicht

Kap. 1

5


Kap. 1 - Inhalt

Einleitung: Was ist ein BetriebssystemBetriebssystemschichtenSchnittstellen und virtuelle MaschinenGeschichteAufbau von BetriebssystemenRechnerarchitekturenWichtige Konzepte


Betriebssystem-Zoo

6


Einleitung I

Was ist ein Betriebssystem ?

* die Gesamtheit der Programmteile, die die Benutzung von Betriebsmitteln steuern und verwalten

* die Software (Programmteile), die für den Betrieb eines Rechners anwendungsunabhängig notwendig ist

* virtuelle Maschine, die dem Benutzer Abstraktionen der Hardware zur Verfügung stellt, die wesentlich einfacher zu benutzen sind


Einleitung II

Definition (Betriebssystem):

Ein Betriebssystem ist ein Programmsystem, das alle Betriebsmittel eines Rechensystems verwaltet und ihre Zuteilung kontrolliert und den Nutzern des Rechensystems eine virtuelle Maschine offeriert, die einfacher zu verstehen und zu programmieren ist als die unterlagerte Hardware.

7


benutzt

benutzt

benutzt

Benutzer

Benutzerprogramm

Maschinenhardware

Betriebssystem

Betriebssystemschichten I


Betriebssystemschichten II

User 1 User 2 User 3Compiler Editor ... Spiele

BetriebssystemdiensteHardware HW

Schichtenmodell Zwiebelschalenmodell

8


Betriebssystemschichten III

Systemsoftware versus Anwendersoftware

Das Betriebssystem ist der Teil der Software, die normalerweise im Kernmodus oder Supervisormodus ausgeführt wird

Die Anwendungsprogramme (Compiler, Editor, E-Mail-Programm etc.) werden im Benutzermodus ausgeführt


Schnittstellen & virt. Maschinen ISCSI-Operationen fur Festplatten:

FORMAT UNIT RECOVER DATA VERIFYINQUIRY RECOVER ID WRITEMODE SELECT RELEASE UNIT WRITE AND VERIFYMODE SENSE REQUEST SENSE WRITE BUFFERNO OPERATION RESERVE UNIT WRITE EXTENDEDPRIORITY RESERVE REZERO UNIT WRITE LONGREAD SEEK WRITE SAMEREAD BUFFER SEEK EXTENDED .....READ CAPACITY SEND DIAGNOSTICREAD DEFECT DATA SET LIMITSREAD EXTENDED START/STOP UNITREAD LONG TEST UNIT READYREASSIGN BLOCKSRECEIVE DIAGN. RESULTS

Wer will schon mit dieser Schnittstelle Informationenlangfristig speichern und zugreifen wollen ?!?

9


Schnittstellen & virt. Maschinen II

Eine SchnittstelleSchnittstelle besteht aus

Daten sowie Funktionen bzw. Methoden dafür (Objekte)

Protokolle für die Benutzung der Funktionen und Daten, mit denen das Objekt Dienstleistungen erbringt (Exportschnittstelle)

Die ImplementierungImplementierung benötigt dazuDaten, Funktionen und Protokolle für die Dienstleistungen, die sie zur Erfüllung benötigt (Importschnittstelle).

Virtuelle Maschinen


Schnittstellen & virt. Maschinen III

Schicht 3

Zeit

Schicht 2

Schicht 1

10


Schnittstellen & virt. Maschinen IV – Virt. CPU

Software-Hardware-Migration durch virtuelle CPU

Programm in Java- Code Programm in Java- CodeJava- Code / Maschinencode Microcode-

CPU- Hardware und CPU- Hardware


Schnittstellen & virtuelle Maschinen V - virtuelle logische, physikalische Geräte

Beispiel: Festplattenspeicher

virtuelles Gerät

= logisches Gerät +Verwaltungstreiber

logisches Gerät

= physikalisches Gerät + HW-Treiber.

Kontrolle Daten

Virtuelles Gerät

log. Gerät 1 log. Gerät 2

phys.Gerät 1

Treiber 1

phys.Gerät 2

Treiber 2

Treiber für log. Geräte

11


Geschichte I

Gliederung (parallel zu Rechnergenerationen):

1. Generation (1945-1955): Röhren und Steckkarten

2. Generation (1955-1965): Transistoren und Stapelverarbeitung

3. Generation (1965-1980): ICs und Mehrprogrammbetrieb

4. Generation (1980-1990): Personal Computer und Netzwerkbetriebssysteme

5. Heute


Geschichte II

1. Generation (1945-1955):USA: H. Aiken (Harvard), J. v. Neumann (Princeton) u.a.

Deutschland: Konrad Zuse

Eine Gruppe von Personen kümmert sich um Entwurf, Bau,

Programmierung, Operating und Wartung jedes einzelnen

Rechners.

Programmierung durch Verdrahtung von Steckkarten oder in absoluter Maschinensprache (Programmiersprachen unbekannt).

Nutzung fur numerische Berechnungen.

Ab Anfang der 50er Jahre Benutzung von Lochkarten.

Betriebssysteme unbekannt.

12


Geschichte III

2. Generation (1955-1965):Nach Einführung von Transistoren werden Rechner zuverlässig genug, um an Kunden verkauft zu werden.Unterscheidung zwischen Entwicklern, Herstellern, Operateuren, Programmierern und Wartungspersonal.Zunächst Ausfuhrung einzelner Jobs in Form von Lochkartenstapeln mit hohem Anteil manueller Arbeiten.Rationalisierung des Operating durch Einfuhrung des Stapelbetriebs (Batch-System):


Geschichte IV

-

Batch- System– bringt Kartenstapel zur 1401– kopiert Karten auf Band– bringt Eingabeband auf 7094, die Berechnung ausführt– bringt Ausgabeband zur 1401, die den Output ausdruckt

13


Geschichte V

Die Steuerkarten waren Vorläufer der heutigen Kommandosprachen, die Monitore Vorläufer der heutigen Betriebssysteme


Geschichte VI

3. Generation (1965-1980):ICs und Multiprogramming

Timesharing-Betrieb

Zugriff über Terminals

Multics

UNIX

14


Geschichte VII

4. Generation (1980-1990): Personal Computer als Individuen zugeordnete Werkzeuge (= Workstation).Netzwerke zur Kommunikation und Kooperation.getrieben durch LSI und VLSI- Entwicklung, preiswert, aber leistungsstark wie Minirechner bzw. Großrechner.hohe Graphikfähigkeit führt zu benutzerfreundlichen OberflächenMarktdominierende Betriebssysteme: MS- DOS und UNIX.Netzwerkbetriebssysteme erlauben Zugang zu anderen Rechnern, Dateitransfer, gemeinsame Benutzung von Informationen (z. B. TCP/ IP Netzwerk Utilities, Novell Netware, Network File System)


Geschichte VIII

5. Heute: Neue Anwendungen gekennzeichnet durch:

steigende Komplexität und neue geforderte Funktionalitäten:Verteiltheit (Client/ Server),Offenheit,Heterogenität,Skalierbarkeit"Cooperative Computing"Sicherheit (Security)RealzeitfähigkeitFehlertoleranz / RobustheitMultimediaWWW- Anbindung

15


Geschichte IX

Aktuelle Entwicklungsrichtungen:

Verteilte Betriebssysteme

Multiprozessing

Standardisierung von Schnittstellen

Mehrere BS-Schnittstellen auf einem Rechner

Konfigurierbarkeit

Realzeitfähigkeit

Administration grosser Netzwerke

Multimediaunterstützung

Erhöhung der Sicherheit


Geschichte X - Fragen

Gestern:Welche Betriebssysteme haben Sie benutzt?

...

Heute:Welche Betriebssysteme benutzen Sie ?

...

Welche Systeme sind nützlich für diese LV?

16


Aufbau I - Aufgabengebiete von BSn

Mainframe-Betriebssysteme

Server-Betriebssysteme

Multiprozessor-Betriebssysteme

PC Betriebssysteme

Echtzeit-Betriebssysteme

Betriebssysteme für eingebettete Systeme

Betriebssysteme für Chipkarten


Aufbau II - Betriebssystemgliederung

Benutzerschnittstelletextuelle und graphische Interaktion mit demBenutzer

Dienstprogramme, Werkzeugeoft benutzte Programme wie Editor, Linker, ...

ÜbersetzungsprogrammeInterpreter, Compiler, Translator, ..

OrganisationsprogrammeSpeicher-, Prozessor-, Geräte-, Netzverwaltung

17


Aufbau III - Benutzerschnittstelle

Ein Blick auf die Benutzerschnittstelle:

1. Benutzeroberfläche (Kommandointerpreter, Grafische Oberflächen) einschließlich der Schnittstellen zu Dienstprogrammen (Tools) wie etwas Editoren, Übersetzer (Compiler), Binder (Linker), ...

2. Bibliotheksschnittstellen (Standardbibliotheken und spezielle Bibliotheken), zur Programmierung benutzt.3. Betriebssystemdienst-Schnittstelle enthält Systemaufrufe (system calls), d.h. „erweiterte Befehle“ = Operationen zum Umgang mit den Abstraktionen, die der Kern offeriert. Wesentliche Kernabstraktionen: Prozesse (processes) = Programme in Ausführung, damit verbunden Mechanismen zur Prozess-Synchronisation und –KommunikationDateien (files) , damit verbunden Dateisysteme (file systems) und Verzeichnisse (directories) IO-Geräte (devices)


Aufbau IV - Typischer Betriebssystemaufbau

Systemaufruf

Maschinencode

BenutzeroberflächeUser Interface Management System

BetriebssystemkernOperating System Kernel

Hardware

Anwen-dung 1

Dienst-programm

Werk-zeug…

Benutzer 1 … Benutzer N

18


Aufruf mittels Traps(Falltüren)

Aufbau V - Der Betriebssystemkern

EingangAusgang


Aufbau VI - Systemaufrufe: Traps und Interrupts

Synchrone, indirekte Methodenaufrufe (Traps)...Move A,R1 Tabelle von Interruptvektoren

Trap 7Move R1, A...

Adresse PC der ISR 6Adr 0012

Status PS der ISR 6Adr 0013





Asynchrones HW-Interrupt- Signal 7

ISR = Interrupt Service Routines = TreiberPS = Processor Status Word (prio, mode,..)

19


Aufbau VII - Aufruf des Betriebssystemkerns

Interrupt{PC+1, PS=user mode}→stack return from interrupt

BS →PC, kernel mode →PS stack→{PC, PS=user mode}

Programm-instruktionen

Programm-instruktionen

Betriebssystem-kerndienste

Umschaltung vom Usermodus in Kernmodus und zurück !!

BS : Bootstrap


Aufbau VIII - UNIX-Betriebssystemkern

…

…user mode

kernel mode

Benutzer-Programm 1

System-Programm 1

System-Programm 2

Benutzer-Shell 1

Benutzer-Shell 2

Überprüfbare Schnittstelle und FunktionsverteilungSpeicher-

verwaltung Serielle Ein/Ausgabe Dateisystem Prozess-Dis-play TTY Drucker Maus Platte

Floppy Netz manage-ment

Hardware

MultiMulti--UserUser

MultiMulti--programmingprogramming

Implementierungsunabhängige Schnittstellen:PPortable OOperating SSystem IInterface based on UniXX

20


Aufbau IX - UNIX Systemsoftware I

Systemprogramme ar build & maintain archivescat concatenate files→standard outgcc compile C programchmod change protection modecp copy fileecho print argumentgrep file search including a patternkill send a signal to a process


Aufbau X - UNIX Systemsoftware II

ln link a filelp print a filels list files and directoriesmv move a filesh start a user shelltee copy standard in to standard out and

to a filewc word count

21


Aufbau XI – Monolitisches System


Aufbau XII – Geschichtetes System

Struktur des THE Betriebssystems

22


Aufbau XIII – Virtuelle Maschinen

Struktur von VM/370 mit CMS


Aufbau XIV – Client-Server Modell

23


Aufbau XV – Client-Server Modell in einem verteilten System


Aufbau XVI – Bsp.: MACH- Betriebssystemkern

Mach-Kern

Scheduler, Nachrichtenübermittlung, Basic I/O, Speicherobjekte

SpeicherManager

FileManager

TerminalI/O

Benutzer-programm

user modekernel mode

Hardware

MikrokernVorteile: minimaler Kern, alle Funktionen modularisiert austauschbar Nachteile: Kommunikationsdauer zwischen Managern

24


Aufbau XVII – Bsp.: Windows NT - Anforderungen

kompatibel zu vorhandenen Systemen Unix, DOS, ..

zuverlässig und robust

leichte Portierbarkeit

leicht veränderbar und anpassungsfähig

leistungsstark

Geht das überhaupt ?


Aufbau XVIII – Bsp.: Windows NT - Lösungen

Kompatibilitätpro emuliertes BS ein extra Subsystem (Server), von Kunden(Clients) durch Nachrichten (local procedure calls LPC) angefordert. Sie setzen auf Dienstleistungen der NT Executive (Syscalls) auf.

RobustheitTrennung der Programmablaufumgebungen(virt. Maschinen), kein direkter Hardwarezugrifffehlertolerantes Dateisystem, Netzdienste,

PortierbarkeitIn C geschriebene Module, auf Hardwaremodell aufsetzend

25


Aufbau XIX – Bsp.: Windows NT - Betriebssystemkern

user modekernel mode

SystemdiensteObject

ManagerProcess

ManagerLocal

Proc. CallsMemoryManager

SecurityMonitor

I/OSystem

KernelHardware Abstraction Layer HAL

Hardware

POSIXClient

Win/DOSClient

OS/2Client

Win32Subsys-

tem

POSIXSubsys-

tem

OS/2Subsys-

temLogon

SecuritySubsys-

tem


Rechnerarchitekturen I

Einprozessorsystem

Massen-speicher

ProgrammeDaten

Prozessor

BS-Kern

Nutzer 1Programm

... Nutzer nProgramm

Hauptspeicher

Bis max. N (~ 16) CPUs erweiterbar. Problem: Speicherzugriff (Systembus)

26


Rechnerarchitekturen II

Multiprozessorsystem

Verbindungsnetzwerk„Tanzsaal “

BS-Kern

Nutzer 1Programm

... Nutzer nProgramm

P1 P2 … Pn

Problem: Performance- Einbussen bei häufigen Speicherzugriffen

Arbeitsspeicher


Rechnerarchitekturen III

Mehrrechnersystem

Verbindungsnetzwerk„Vorzimmer“

BS-Kern

Nutzer 1Programm

P1 … Pn

BS-Kern

Nutzer nProgramm Arbeitsspeicher

27


Rechnerarchitektur IV

Rechnernetz

VerbindungsnetzwerkLAN, WAN

P1 … Pn

BS-Kern

Nutzer 1Programm

BS-Kern

Nutzer nProgramm


Wichtige Konzepte I

Prozesse

Dateien

Systemaufrufe

Shells

28


Konzepte II - Prozesse

Prozess- Baum

– A hat zwei Kind- Prozesse B and C erzeugt

– B hat drei Kind- Prozesse D, E, und F erzeugt

Prozeß : Programm in seiner Ausführung


Konzepte III - Dateissytem

29


Konzepte IV – Mounten von Dateisystemen

• Vor dem Mounten,Files auf Floppy sind nicht benutzbar

• Nach dem Mounten der Floppy auf b,Files auf Floppy sind Teil der Filehierarchie


Konzepte V - Systemaufrufe

Es gibt 11 Schritte beim Ausführen des Systemaufrufs

read (fd, buffer, nbytes)

30


Konzepte VII – Systemcalls für File Management


Konzepte VII – Directory Management

31


Konzepte IX - Verschiedene


Konzepte X – UNIX/Windows32 - Systemaufrufe

32


Konzepte XI – Eine kleine Shell

while (TRUE) { /* repeat forever */type_prompt( ); /* display prompt */read_command (command, parameters) /* input from terminal */r = fork(); /* fork child process */ if (r > 0) {/* Parent code */

waitpid( -1, &status, 0); /* wait for child to exit */} else if (r == 0){/* Child code */

execve (command, parameters, 0); /* execute command */} else { /* fork error */ }

}

Documents

1-Einleitung - hs-rm.deweber/bsbach/ws09/1-Einleitung.pdfR. Brause, Betriebssysteme – Grundlagen und Konzepte, 2. ... Marktdominierende Betriebssysteme: MS-DOS und UNIX. Netzwerkbetriebssysteme