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HUMBOLDT-UNIVERSITÄT ZU BERLININSTITUT FÜR INFORMATIK

Vorlesung 16

Software

Sommersemester 2000

Leitung: Prof. Dr. Miroslaw Malek

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SOFTWARE

1. Software

Software bezieht sich auf alle Programme, die auf Computern egal welcher Größe ausgeführt werden; sowohl auf großen als auch auf kleinen Systemen.

* Systemsoftware

** Compiler ( Sprachprozessoren )

** Betriebssysteme

** Residente Subroutinen

** Bibliotheken

** Benutzerprogramme

HARDWARE

SYSTEM SOFTWARE

ANWENDUNGEN(BENUTZERPROGRAMME)

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2. Sprachen und Übersetzer

* Maschinensprache (binär, oktal, hexadezimal)

* Assembler (Directiven, Assembler)

* Hochsprache

** Betriebssteuerangaben

** Compiler bilden ein Quellprogramm (Syntax der Sprache) und erzeugen das Objektprogramm

*** Zwischensprache (Interpreter)

*** Maschinenprogramm

Hochsprachen* Assemblersprache**

Kompilation Assemblierung

Maschinencode

Hardware

* 1 Hochsprachenanweisung entspricht 5-20 Maschinencodeanweisungen.** 1 Assembleranweisung entspricht 1-5 Maschinencodeanweisungen.

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3. Betriebssysteme

** Integraler Teil von Computerdesign

** Laden

** Linken

** Speicherverwaltung

** CPU-Sharing-Überwachung (Scheduling und Speicheranforderung )

Betriebssysteme sind Programme, die die Ausführung von Programmen handhaben. Das Betriebssystem handhabt die CPU in bezüglich der verfügbaren E/A Ressourcen. Ressource-Teilung kann Kosten reduzieren, wenn dies zu einer Erhöhung des Systemdurchsatzes führt, z.B. mehr laufende Benutzerprogramme pro Zeiteinheit.

a. Die Hauptfunktion eines Betriebssystems ist die Steuerungder Initiierung der CPU- und Kanal- (E/A) Aktivität.

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b. Lader

Wie laden wir ein Maschinenspracheprogramm in den Speicher?Wie veranlassen wir einen Computer, ein Programm auszuführen?

a)ZuerstWir schalten den Computer ein.

(1) Manuelles Laden eines Programms durch eine Konsoleund Schalter.

a. Bootstrap (einfacher Lader)b. Komplexere Lader (Paritätsprüfung, usw.)

(2) Nach Reset arbeitet der Computer ein ROM-Programm ab.

b)Programmabschnitte ( Segmente )

(1) Header oder Identifizierungsabschnitt (Typ 00)

a. Typ "00"b. Namec. Abschnitts- und/oder Blockzählerd. Prüfsumme

(2) Maschinenspracheabschnitt

a. Typ "01"b. Byte- oder Wort-Zählerc. Startadressed. Maschinensprachebefehlee. Prüfsumme

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3. Typen von Ladern

(1) Absoluter binärer Lader

Lädt Programme, basierend auf den oben beschriebenen Informationen. Die Startadresse ist die absolute Adresse,an die das Maschinenprogramm geladen wird.

(2) Verschiebbare Lader

Können entsprechend formatierte Maschinensprach-abschnitte von Programmen in variable Adressbereicheladen.

a. Verschiebbare Objektprogramme

* Identifizierung von Adreßkonstanten, d.h. jene Adressen,

die sich mit der Verschiebung nicht verändern.

* Addieren eines Offset auf alle Adressen, außer denAdreßkonstanten. Das Basisregister ist ein Beispiel.

b. Der Einfluß auf das Rechnerdesign ist signifikant.

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c. Linker

1.Große Programme können aus einer Anzahl von Routinen bestehen, die getrennt voneinander programmiert und oftunabhängig assembliert wurden.

(1) Der Linker ist ein Programm, das mehrere Objektmodulein ein einzelnes Maschinenspracheprogramm zu einemLademodul verbinden kann.

(2) Objektmodule sind assemblierte (Maschinensprache-)Versionen von verschiedenen Routinen, die miteinanderin einem einzelnen Programmsystem verbunden werden.

(3) Externe Symbole müssen vom Programmierer zur Zeitder Programmcompilierung definiert sein. Externe Symbolesind jene, die Variablen und Label repräsentieren, die vonmehr als einem der verschiedenen assembliertenProgramme oder Unterprogramme referenziert werden.

Ein kombinierter Linker-Lader wird oft implementiert.

2. Kompromiß

Assemblieren aller Programme und Unterprogramme in einereinzelnen Übersetzung, die ein Lademodul erzeugen würde,oder einzeln.

3.Formatierung

* Verzeichnis externer Symbole (ESD)* Maschinenspracheprogramm* Verschiebungsverzeichnis (RD) ** Ort der Adreßkonstanten.

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d. Ein Job hängt mit einem gegebenen Benutzerprogramm

zusammen. Ein Schritt identifiziert eine Eingabe-,Berechnungs- oder Ausgabephase eines Jobs.

e. Stapelverarbeitung.

Jobs werden nacheinander in sequentieller Abarbeitung

ausgeführt.

f. Wenn wir uns mehrere Jobs ansehen und die Anfragen

dieser bearbeiten können, besteht die Möglichkeit, eine

effektivere Nutzung der Ressourcen zu realisieren.

Überlappung kann in einigen Fällen erreicht werden. DasLesen der Eingabe und das Schreiben der Ausgabekönnen als dauerhafte Prozesse, wenn möglich, auftreten.

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g. Spooling

(1) Es gibt typischerweise E/A-Puffer im Hauptspeicher. Fürgewöhnlich wird der Pufferplatz durch Anforderung

minimalenHauptspeichers, der dennoch die E/A-Effizienz

gewährleistet,optimiert. Der Rest der E/A, der nicht in den Puffern

gehaltenwird, wird für gewöhnlich auf einer Festplatte gespeichert.

DieE/A wird dann durch fortwährendes Lesen von Jobs in

denSpeicher und das Puffern dieser auf einer Festplatte, bis

siegebraucht werden, gehandhabt. Dies nennt man Eingabe-Spooling. Sehr oft wird das Laden von der Festplatte

durcheinen anderen Prozessor ausgeführt. Das Puffern vonAusgabedaten auf der Festplatte und das darauffolgendeTransferieren der Daten zu einem Ausgabegerät, wie z.B.

einDrucker, nennt man Ausgabe-Spooling.

(2) Spooling glättet unter Umständen den Eingabe-/ Ausgabefluß.

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SPOOLING

Hauptspeicher

E/A Puffer

Festplatte

Ziele: 1) Brücken des Geschwindigkeitsunterschiedes vonHauptspeicher und Festplatte

2) Erhöhung der Geschwindigkeit und Glätten vonE/A-Operationen

Geschwindigkeitsbrücke

Oft besitzt das Disk-Speicher-Interfaceeigene Speicher und Prozessoren

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h. Multiprogramming

Das Konzept der Multiprogrammierung ist es, mehrere Programme im Hauptspeicher zu haben. Wenn die Ausführung eines Programms für E/A-Operationen ausgesetzt werden muß, wird die CPU veranlaßt, eines der anderen Programme im Speicher auszuführen.

(1) Wahrscheinlich ist, daß die CPU besser genutzt werden kann,

jedoch kann ein zu komplexes Betriebssystem selbst mehr

CPU-Zeit benötigen als es einsparen kann.

(2) In der Praxis haben sich Multiprogrammsysteme als nützlich

und effizient erwiesen.

Beispiel:

Die Jobs X, Y und Z werden in einer Multiprogramming-

Umgebung angeführt,

Führe X(C1) aus

Suspendiere X(R2)

Führe Y(C1) aus

Suspendiere Y(R2)

Führe Z(C1) aus

Suspendiere Z(R2)

Führe Y(C2) aus

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Führe X(C2) aus

Suspendiere X(R3)

Führe Z(C2) aus

Führe X(C3) aus

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i. Multiprogramming-Steuerungen

a. Eine Scheduling-Routine eines Betriebssystems führt Long-

Term Scheduling durch das Gruppieren von Jobs, für

gewöhnlich nach Priorität und Klasse für die Ausführung

durch die CPU aus. Speicheranforderungen (MM & Ersatz-)

und Prioritätsfaktoren werden normalerweise in die

Scheduling-Gleichung mit einbezogen.

* Speicher-Management

* Short-Term Scheduling

* Ein Prozeß ist eine Routine, die als Teil der Ausführung

eines geplanten Jobs ausgeführt werden darf.

** Bietet Informationen, die die Unterbrechung und

folgende Reinitiation der Ausführung eines Programms

erlaubt.

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b. Zustandsdiagramm

Ein Programm kann durch eine Anzahl von Zustands-

veränderungen laufen zwischen den Zuständen:

* Ausführbar

* Blockiert

* In Ausführung

Das Zustandsdiagramm illustriert die Steueraktivitäten, die

für die Prozeßverwaltung nötig sind. Die Beschriftungen

entlang der Pfeile zeigen die Gründe der Änderung von

einem Zustand in den anderen.

* Interrupts können Zustandsänderungen hervorrufen.

* Programme mit höherer Priorität können laufende

Programme unterbrechen.

Die meisten Details von E/A-Operationen können nicht

eingesehen und vom Programmierer nicht kontrolliert

werden, es sei denn, das Betriebssystem hat einen

Benutzermodus, der dem Benutzer die Kontrolle bis zu einem

gewissen Grad erlaubt. Normalerweise läuft das

Betriebssystem im Überwachungsmodus.

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PROCESS STATE DIAGRAM

Bereit Laufend

Wartend

Anhalten(z.B. wenn E/A hält)

BeendenErzeugen

Freigeben

(z.B. wenn E/A fertig)

Abarbeiten

Zurückstellen

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4. Interaktives Computing

Online-Geräte interagieren direkt mit der CPU, die die gesamte

Umgebung kontrolliert.

Die Hauptaufgabe der CPU ist das Erzeugen von Antworten an

individuelle Benutzer (im Gegensatz zu maximalen Durchsatz).

* Zeitverzögerung der Antwort (T)

* Time Slice

* Round-Robin

* Obere Grenze des Zeitintervalles der Antwort ist, eine

Quantum-Zeit. Nach einem Zeitintervall geht die

Kontrolle an das Betriebssystem zurück.

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„DIE FRIEDLICHE NEUE WELT“

MENSCHEN(Benutzer)

COMPUTER

SENSORENAKTOREN

(z.B. Roboter)

COMPUTERNETZWERK

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SOFTWARE ZUSAMMENFASSUNG

SOFTWARE

LADER (MANUELL, BOOTSTRAP, PROGRAMM IM ROM)

LINKER

ÜBERSETZER

ASSEMBLER AL ML

COMPILER HLL ML

BETRIEBSSYSTEME (AUSFÜHRENDE ÜBERWACHER)

MONITOR

SPEICHERVERWALTUNG

RESOURCE SCHEDULER

DIAGNOSTIK

E/A PROGRAMME

PAKETE (BIBLIOTHEKSPROGRAMME)

PROGRAMM-WERKZEUGE

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C-Compiler

nroff/troff/TEX

System-programme

ANWENDERANSCHICHT

Anwenderprogramme

SYSTEMSCHICHT

Pascal/Modula-2Lisp/Prolog e.a.

AssemblerDebugger

YACC Compiler-Compiler

Editorened/vi/sed e.a.

Textverarbeitung

BEFEHLSVERARBEITUNG

Vorder-/Hinter-grund

Befehlsketten Befehls- undDateiumlenkung

OnlinehandbuchLernprogramm

HilfsprogrammeBefehlsinterpreter(Shell, GUI)

SortierprogrammeSpiele

UNIX-KERN

Mehrprozeß-verwaltung

Mehrplatz-verwaltung

Interprozeß-Kommunikation

HierarchischeProzeßverwaltung

HierarchischeDateiverwaltung

ErweiterbareDateisysteme

pipes filter AutomatischeProzeßvergabe

Autom. Datei-ein-/auslagerung

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Vor der Einführung von virtuellem Speicher wurden Primär- (Hauptspeicher) und Sekundärspeicherung explizit durch das Programm verwaltet. Durch virtuellen Speicher verwaltet nun eine Kombination aus Hardware und Systemsoftware unsichtbar für das Benutzerprogramm die Primärspeicherung.

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PHYSIKALISCHER SPEICHER

Haupt-speicher

Haupt- und Sekundärspeicher werden explizit von Programmen organisiert.

VIRTUELLER SPEICHER

Hauptspeicher wird für Anwenderprogramme transparent organisiert.

Virtueller Adreßraum(Sekundärspeicher)

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Sekundär-speicher

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SOFTWARE ZUSAMMENFASSUNG

- ANWENDUNGEN

- MIDDLE WARE

- BETRIEBSSYSTEM

- werden immer größer

- beeinflussen die Performance, Zuverlässigkeit undEinfachheit der Benutzung eines Systems

- Komplexität und Funktionalität sind fast außer Kontrolle