Betriebssysteme – eine Einführung · Betriebssysteme – eine Einführung Peter Puschner Institut für Technische Informatik [email protected] 1

Betriebssysteme – eine Einführung

Peter Puschner Institut für Technische Informatik [email protected]

1

Peter Puschner, TU Wien

Betriebssystem – Was ist das?

Vorlesung Betriebssysteme, Einführung; WS 11/12 2

Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Einführung; WS 11/12 3

•  Wie entstanden die heutigen Betriebssysteme?

•  Was ist ein Betriebssystem?

•  wichtige Grundkonzepte


Entstehung von Betriebssystemen


Entstehung moderner BS Von der technologischen Entwicklung und der

damit verbundenen Kostenentwicklung bestimmt –  Hardwarekosten –  Kosten der menschlichen Arbeitskraft

von teurer Hardware … Maximierung der Hardwareauslastung

… zu teurer Arbeitskraft Komfort und Unterstützung für Benutzer

Weitere Faktoren: Fehlerbehebung, neue Anforderungen


Serial Processing (1950) •  kein Betriebssystem •  direkte Programmierung der Hardware •  I/O: Schalter, Lampen; Kartenleser, Drucker


Serial Processing Problem: Fehleranfälligkeit Lösung: Unterprogrammbibliotheken für I/O

Problem: Setup benötigt viel Zeit Lösung 1: Spezialist für Setup Lösung 2: Monitor


Job-Ausführung mit Monitor

Job vom Eingabegerät in die User Programm Area lesen

Interpretierung der JCL Kommandos

Ausführung des Anwendungsprogramms

Fortsetzung im Monitor


Monitor (1960)

Interrupt Processing

Device Drivers Job Sequencing JCL Interpreter

User Program Area

Job

Steuerkommandos (JCL) +

Programm


Monitor •  Speicherschutz •  Timer •  Privilegierte Instruktionen •  Interrupts

Problem: entweder CPU oder I/O-System aktiv, der Rest der Maschine ist untätig

Lösung: parallele CPU und I/O Aktivität Pufferung und I/O Interrupts


Multiprogramming (1965) Problem: Kaum ein Programm nützt CPU und

periphäre Hardware gleichmäßig aus –  CPU-intensive Programme (CPU bound) –  I/O-intensive Programme (I/O bound)

Lösung: Multiprogramming bzw. Multitasking


Multiprogrammed Batch Systems run wait run wait

run A wait run

A wait

run B wait run

B wait

run A

run A

run B

run B


Multiprogrammed Batch Systems Die “parallele” Ausführung von Programmen

macht neue Mechanismen notwendig, z.B. •  Speicherverwaltung •  Verwaltung der CPU und Ressourcen

(Scheduling) Situation (ca. 1970): billiger gewordene Computer

sollen Produktivität teurer Arbeitskräfte fördern


Time-Sharing Systems Problem: Mehrere Benutzer teilen einen Computer;

Warten auf Fertigstellung von Batch Jobs Lösung: Preemptive Scheduling, Prioritäten Problem: Daten und Programme sollen für

Benutzer leicht verfügbar sein Lösung: Filesystem am Rechner


Weitere Entwicklung … •  billige HW pro Benutzer ein Rechner (PC) •  Computer vermehrt für Verwaltung und

Austausch von Daten�� Networking Security

•  Wachstum des Internet�� Middleware (Java API, …)

•  Mobilität, Real-Time Voice und Video, ... •  Embedded Computing, Real-Time Comp.,

Pervasive Computing, … real-time …, power management …


Unix, Mac OS, Windows, ... •  1972 "... the number of UNIX installations has grown to 10 ..." (D. Ritchie, K. Thompson)

•  1981 MS-DOS auf IBM PC (4000 Zeilen Ass.) •  1983 PC XT : Festplatte, ein Directory, 64 Files •  1984 Apple Macintosh, Mac OS •  1987 MINIX •  1990 MS Windows 3.0, auf DOS aufsetzend •  1991 erste Linux Version •  1993 Windows NT (10+ Mio. Code-Zeilen)

multi-tasking, single- / multi-user System


Was ist ein Betriebssystem?


Betriebssystem als Interface •  Interface zwischen Benutzer und Hardware

–  virtuelle Maschine –  Ressourcenmanager –  stellt Programmierinterface zur Verfügung … passt sich den Anforderungen des Benutzers an


Was interessiert uns …?


Computerhardware

Betriebssystem

Utilities

Betriebssystem - Sichten

Anwendungsprogramme

End- benutzer Programmierer

Betriebssystem- designer


Betriebssystem als Dienstleister •  Programmausführung •  Programmerstellung •  I/O, Filezugriff, Netzwerkkommunikation •  Zugangskontrolle •  Fehlererkennung und Behandlung •  Logging (Überwachung, Accounting)


BS als Ressourcenmanager •  keine externe Kontrollinstanz •  verwendet selbst Ressourcen •  gibt Ressourcen vorübergehend ab •  hebt sich durch die Funktionalität von anderen

Programmen ab –  leitet den Prozessor bei der Verwendung der

Ressourcen und bei der Zeitzuteilung an Prozesse


einige Grundkonzepte


… Abstraktion … •  Abstraktion

–  Prozesse –  “unendlich” großer Speicher, Files –  Synchronisation und Kommunikation

•  Standard Interface - Portabilität •  Verwaltet die Ressourcen

–  CPU, Arbeitsspeicher, Platte, Netzwerkzugriff


Einige Konzepte •  Prozesse •  Speicherverwaltung •  Zugriffsschutz •  Scheduling und Ressourcenverwaltung •  Systemarchitektur


Prozess Informell:

–  Programm bei der Ausführung –  “Animated Spirit of a Program”

Anforderungen an Prozessmanagement: –  Zeitzuteilung –  Signalisieren von Ereignissen –  Mutual Exclusion –  Synchronisation –  Deadlockvermeidung bzw. -behandlung


Prozess

Prozess- liste

i

j

Kontext Daten Prog.

Kontext Daten Prog.

Prozess A

Prozess B

Arbeitsspeicher Register

Proz.Idx i PC

Basis Länge

... weitere

Register

b l

b

l


Speicherverwaltung •  Virtual Memory

–  Verwendung von Speicher ohne Berücksichtigung der Größe des physikalischen Speichers

–  nur Teile laufender Programme werden im physikalischen Speicher gehalten

–  der Rest befindet sich auf dem Sekundärspeicher: adressierbarer Speicher > Arbeitsspeicher


Speicherverwaltung •  Verwaltung der Speicherzuteilung an Prozesse

–  Speicherzuteilung an Prozesse nach Bedarf –  Auslagern von Speicherinhalten auf

Sekundärspeicher •  Verwaltung der Zugriffsrechte

–  Schutz und Isolation der Prozesse –  Gemeinsamer Speicher (Shared Memory)

•  Filesystem


Memory Management Views

Virtueller Prozessor

Virtueller Speicher Files

Realer Prozessor

Adress- übersetzg.

Haupt- speicher

Sekundär- speicher virt.

Adr. phys. Adr. Swapping

Benutzersicht

Sicht des BS-Designers


Datenschutz und Sicherheit •  Access Control

–  Wer darf welche Ressourcen verwenden –  erlaubte Operationen

•  Information flow control •  Authentizität - Quelle der Information •  Integrität - keine Verfälschungen •  Verfügbarkeit


Scheduling, Ressourcenverwaltung Zuteilung von Rechenzeit und Betriebsmitteln an

die Prozesse •  Fairness •  Effizienz •  Lifeness •  ...


Systemarchitektur •  Schichten

–  jede Schicht erfüllt eine bestimmte Funktionalität –  höhere Schichten verwenden Services der

darunterliegenden Schichten •  Modularer Aufbau

–  überschaubare Teile mit definierte Funktionalität –  klar definierte Interfaces: Module können ohne

Wechselwirkungen geändert werden


Ursprüngl. Unix-Schichtenmodell Pr

ozes

sor-H

W

1 Schaltkreise Register, Gatter, Busse

2 Instruktionen Eval. Stack, skalare Daten, Felder

3 Prozeduren Prozeduren, Call Stack 4 Interrupts Interruptbehandlung

sing

le p

roce

ssor

5 6 7

primitive Prozesse Sekundärspeicher Virtueller Speicher

Prozesse, Ready list, Semaphore

Datenblöcke, -kanäle Seiten, Segmente

Name Objekte


Urspr. Unix-Schichtenmodell (2)

8 Kommunikation Pipes 9 Filesystem Files

10 Devices Drucker, Bildschirm, Tastatur

11 Directories Directories

one

or m

ore

proc

esso

rs

12 13

User-Prozesse Shell

Benutzerprozesse Programmierumgebung

Name Objekte


Windows Architektur (Bsp.)

Hardware Abstraction Layer (HAL) Device Drivers Microkernel

Object Manager

I/O Manager

File Systems

Window Manager Graphics Dev. Dr.

LPC Facility

Memory Manager

Process Manager

Security Ref.

Monitor

Plug’n Play

Power Manager

Executive API

System Processes Services Applications Environment

Subsystems

User Mode

Kernel Mode

Hardware Abstraction Layer (HAL) Device Drivers Microkernel


Unix Architektur (SVR4)

exec switch

Virtual memory framework

vnode/vfs interface

Scheduler framework

Block device switch

Streams

Common Facilities

a.out elf

File mappings

Device mappings

Anonymous mappings

Disk driver

Tape driver

Network driver

tty driver

Time-sharing processes

System processes

NFS

FFS

RFS

s5fs


Rückblick •  BS macht Computer “verwendbar” •  stellt Abstraktionen zur Verfügung

–  Prozess, Speicher, Kommunikation, Synchronisation

•  bietet ein portables Programmierinterface •  verwaltet Ressourcen


Ausblick •  Prozesse, Threads •  Parallelität, Synchronisation (Mutual Exclusion) •  Deadlock •  Speicherverwaltung (Virtual Memory) •  Scheduling •  Ein- und Ausgabe •  Dateiverwaltung •  Networking •  Security

Documents

Betriebssysteme – eine Einführung · Betriebssysteme – eine Einführung Peter Puschner Institut für Technische Informatik [email protected] 1