Betriebssysteme - Institute of Computer Engineering (E191) · Entstehung moderner BS Von der technologischen Entwicklungund der damit verbundenen Kostenentwicklungbestimmt –Gerätekosten

Betriebssysteme –eine EinführungPeter PuschnerInstitut für Technische [email protected]

Peter Puschner, TU Wien

Betriebssystem – Was ist das?

2Vorlesung Betriebssysteme, Einführung; WS 19/20

Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Einführung; WS 19/20 3

• Wie entstanden die heutigen Betriebssysteme?

• Was ist ein Betriebssystem?• wichtige Grundkonzepte


Entstehung von Betriebssystemen


Entstehung moderner BSVon der technologischen Entwicklung und der

damit verbundenen Kostenentwicklung bestimmt– Gerätekosten– Kosten der menschlichen Arbeitskraft

von teurem Gerät …Maximierung der Auslastung

… zu teurer ArbeitskraftKomfort und Unterstützung für Benutzer

Weitere Faktoren: Fehlerbehebung, neue Anforderungen

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

Vorlesung Betriebssysteme, Einführung; WS 19/20

Peter Puschner, TU Wien

Problem: FehleranfälligkeitLösung: Unterprogrammbibliotheken für I/O

Vorlesung Betriebssysteme, Einführung; WS 19/20 7

Serial Processing

Problem: Setup benötigt viel ZeitLösung 1: Spezialist für SetupLösung 2: Monitor


Job-Ausführung mit Monitor

Job vom Eingabegerät in dieUser Program Area lesen

Interpretierung der JCLKommandos

Ausführung desAnwendungsprogramms

Fortsetzung im Monitor


Monitor (1960)

Interrupt Processing

Device Drivers

Job Sequencing

JCL Interpreter

User ProgramArea

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 AktivitätPufferung 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 Systemsrun wait run wait

runA wait run

Await

runB wait run

Bwait

runA

runA

runB

runB


Multiprogrammed Batch SystemsDie “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 SystemsProblem: Mehrere Benutzer teilen einen Computer;

Warten auf Fertigstellung von (Batch) JobsLösung: 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 in Büro und Kommunikation

GUIsNetworking Security

• Wachstum des InternetMiddleware (Java API, …)

• Mobilität, Voice und Video, ...• Embedded Computing, Internet of Things

real-time …, energy management …• Multicores, …


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• 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 = …• Interface• Vituelle Maschine• Dienstleister• Ressourcenmanager

… passt sich den Anforderungen des Benutzers an


Benutzer-Computerinterface

AnwendungsprogrammeLibraries/Utilities

Betriebssystem

Ausführunghardware

BusAdr.übersetzung

I/O dev.,Network

MainMemory

Application programming interface (API)

Application binary interface (ABI)

Instruction Set Architecture(ISA)

Software

Hardware

User

Programmer

OS Designer


Betriebssystem als Dienstleister• Programmausführung• Programmerstellung• I/O, Filezugriff, Netzwerkkommunikation• Zugangskontrolle• Fehlererkennung und Behandlung• Logging (Überwachung, Tuning, 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 … • “ungestörte” Programmabarbeitung

à Prozess• “unendlich” großer Speicher, Files

à Speicherverwaltung• “private” Maschine

à Zugriffsschutz, Datensicherheit


ProzessInformell:

– Programm bei der Ausführung

Anforderungen an Prozessmanagement:– Zeitzuteilung– Signalisieren von Ereignissen (z.B. I/O)– Vermeidung von Zugriffskonflikten– Synchronisation


Prozess

Prozess-liste

i

j

KontextDatenProg.

KontextDatenProg.

Prozess A

Prozess B

Arbeitsspeicher Register

Proz.Idx iPC

BasisLänge

...weitere

Register

bl

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


Memory Management Views

VirtuellerProzessor

VirtuellerSpeicher Files

RealerProzessor

Adress-übersetzg.

Haupt-speicher

Sekundär-speichervirt.

Adr.phys.Adr. Paging,

Swapping

Benutzersicht

Sicht des BS-Designers


Speicherverwaltung• Verwaltung der Speicherzuteilung an Prozesse

– Speicherzuteilung an Prozesse nach Bedarf– Verschieben von Speicherinhalten zwischen Haupt-

und Sekundärspeicher• Verwaltung der Zugriffsrechte

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

• Filesystem


Datenschutz und Sicherheit• Access Control

– Wer darf welche Ressourcen verwenden– erlaubte Operationen

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


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-SchichtenmodellPr

ozes

sor-H

W

1 Schaltkreise Register, Gatter, Busse

2 Instruktionen Eval. Stack, skalareDaten, 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/OManager

FileSystems

WindowManagerGraphicsDev. Dr.

LPCFacility

MemoryManager

ProcessManager

SecurityRef.

Monitor

Plug’nPlay

PowerManager

Executive API

SystemProcesses Services Applications Environment

Subsystems

User Mode

Kernel Mode

Hardware Abstraction Layer (HAL)Device Drivers Microkernel


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

– Bsp.: Prozess, Speicher, Kommunikation• bietet ein portables Interface• verwaltet Ressourcen


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

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