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Prof. Dr. Peter Mandl Seite 1 Betriebssysteme
Betriebssysteme
Einfhrung
Sommersemester 2014
Prof. Dr. Peter Mandl
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 2 Betriebssysteme
1. Einfhrung in Betriebssysteme
2. Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten
3. Interruptverarbeitung in Betriebssystemen
4. Prozesse und Threads
5. CPU-Scheduling
6. Synchronisation und Kommunikation
7. Speicherverwaltung
8. Gerte- und Dateiverwaltung
9. Betriebssystemvirtualisierung
Gesamtberblick
Physikalische Gerte
Mikroarchitektur
Maschinensprache
Betriebssystem
Firmware und Hardware
Systemnahe Software (Datenbanken, Compiler, Interpreter,)
Anwendungssoftware (Browser, Bankanwendung, Buchhaltungsanwendung,)
Systemsoftware
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 3 Betriebssysteme
Zielsetzung
Aufbau von Computersysteme kennenlernen Geschichtliche Hintergrnde der
Betriebssystementwicklung verstehen
Grundlegende Aufgaben von Betriebssystemen kennen lernen
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 4 Betriebssysteme
1. Rechnersysteme
2. Betriebssystemarten und Aufgaben von Betriebssystemen
3. Geschichtliches
berblick
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 5 Betriebssysteme
Rechnersysteme
Physikalische Gerte
Mikroarchitektur
Maschinensprache
Betriebssystem
Firmware und Hardware
Systemnahe Software (Datenbanken, Compiler, Interpreter, )
Anwendungssoftware (Browser, Bankanwendung, Buchhaltungsanwendung,)
Systemsoftware
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 6 Betriebssysteme
Rechnerarchitekturen
Von-Neumann-Rechner
- CPU mit Leitwerk und Rechenwerk
- Bussystem (Datenbus, Adressbus und Steuerbus)
- Ein-/Ausgabesystem
- Speicher
- Abgrenzung: Harvard-Architektur
Ein-/Ausgabe
Microprocessor, CPU
Leitwerk
(Steuerwerk)
Rechenwerk
(ALU)
Register
Speicher
Bussystem
Flaschenhals
Befehlsinter- pretation,
Befehlsausfhrung
Datenprozessor
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 7 Betriebssysteme
Rechnerarchitekturen
Von-Neumann-Rechner
Steuer-
Einheit
Arithmetisch
Logische
Einheit (ALU)
Register
Zentrale Recheneinheit (CPU)
Speicher Platte Drucker
BUS
E / A Gerte
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 8 Betriebssysteme
CPU-Register als Schnittstelle fr den
Betriebssystemprogrammierer: Intel 8086
Registersatz mit vierzehn 16-Bit-Registern
AH
BH
CH
DH
AL
DL
CL
BL
SP
BP
DI
SI
AX
BX
CX
DX
Akkumulator CS
DS
ES
SS
IP
SR
Basisregister
Zhlerregister
Datenregister
Stapelzeiger
Basiszeiger
Ziellindex
Quellindex
Allgemeine
Arbeitsregister
Adress- und
Indexregister
Segmentregister
Statusregister (PSW)
Codesegment
Datensegment
Extrasegment
Stacksegment
Befehlszeiger
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/X86-Prozessor
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 9 Betriebssysteme
CPU-Register als Schnittstelle fr den
Betriebssystemprogrammierer: Intel Pentium
Registersatz
- Acht 32-Bit-Register kompatibel zu den Vorgngern EAX, EBX, ECX, EDX, ESP, EBP, EDI, ESI
- Segmentregister CS, DS, ... (wie bei 8086)
- Acht Gleitkommaregister-Register
- Befehlszeiger EIP (IP), ...
EAX
EBX
ECX
EDX
31 15 0
AH
BH
CH
DH
AL
DL
CL
BL
AX
BX
CX
DX
Registerbezeichnungen:
[E]AX: Akkumulator
[E]BX: Basisregister
[E]CX: Zhlregister
[E]DX: Datenregister
Quelle: http://www.chip.de
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 10 Betriebssysteme
CPU-Register als Schnittstelle fr den
Betriebssystemprogrammierer: AMD64 (x64)
Registersatz mit sechzehn 64-Bit-Mehrzweckregistern
- RAX (EAX, AX, AL), RBX, RCX, RDX, RSP, RBP, RDI, RSI
- R8 R15 (ergnzt)
Weitere Register
- Acht 64-Bit-Gleitkommaregister MMX0/FPR0 MMX7/FPR7
- Sechzehn 128-Bit-Mediaregister XMM0 XMM15
- 64-Bit-Statusregister RFLAGS
- 64-Bit-Befehlszeiger RIP (EIP, IP)
- Alte Segmentregister CS, DS, ... (Kompatibilitt)
Quelle: http://www.socket939.co.uk
Prof. Dr. Peter Mandl
Chip
Seite 11 Betriebssysteme
Einschub: Beispielskizze fr Caches im Singleprozessor
Typischer Einsatz von Caches (Speicherhierarchie) in heutigen Computersystemen
Prozessor
L2-Cache
L1-Cache
L3-Cache
Hauptspeicher (RAM)
L1 ist kleiner und schneller als L2
L2 ist kleiner und schneller als L3
L1 und L2 meist auf dem Chip
L3 auerhalb
Prof. Dr. Peter Mandl
Chip
Seite 12 Betriebssysteme
Einschub: Beispielskizze eines Mehrkern-Chips
Zwei Prozessorkerne jeweils mit integriertem L1-Cache , L2/L3-Cache auf dem Chip (Die)
Prozessor 1
L2-Cache L3-Cache
Quelle: Bttcher, A.: Rechneraufbau und Rechnerarchitektur, Springer-Verlag, 2006
L1-Cache
Prozessor 2
L1-Cache
Bus-Interface
Systembus (Front Side Bus)
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 13 Betriebssysteme
Beispiel: Skizze des Intel Core i5
GPU (Grafik-Prozessor)
Kern 1 mit HT
Kern 2 mit HT
Shared L3 Cache
Bussysteme
Die
2 Kerne, L1 und L2 in den Kernen
HT = Hyperthreading
L1/L2 Cache
L1/L2 Cache
Speicher- Controller
PCI
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 14 Betriebssysteme
Vereinfachte Architektur eines Computersystems: Hardwaremodell fr unsere Betrachtung
Speicherbus, FSB
Arbeitsspeicher (RAM)
Anbindung externer Gerte: USB, S-ATA, PCI,
Rechnerkern 1 (CPU)
Cache
Mehrzweck- register
Gleitkomma- register
Status- register
Leitwerk und Steuerwerk
Chipsatz
MMU
TLB
Motherboard
Grafikprozessor
Northbridge
Ein Die
Gemeinsamer Cache
Cache
MMU
Rechner- kern 2
Register
L/S-Werk
Cache
MMU
Rechner- kern n
Register
L/S-Werk
Southbridge Interrupt Controller
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 15 Betriebssysteme
Beispiel: Skizze des Motherboards der Intel Core-i-Serie
Speicherbus DDR3
Intel Core i5/i7/i9 (LGA 1156 Package)
Motherboard P7H55D-M-Pro
von Asus (=Mainboard)
Mehrere Cores auf einem Die DDR-RAM
DDR-RAM
Grafik-Prozessor
Speicherbus DDR3
PCI Express 2.0 x16
Arbeitspeicher
Intel H55 Express Chipset
FDI DMI x 4
Digital Display (HDMI, DVI)
PCI Bus
USB
Serial ATA
PCI-Express x1
Gigabit LAN
DDR = Double Data Rate Verfahren
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 16 Betriebssysteme
Beispiel: Skizze zum Intel Core i7
Sandy-Bridge-Architektur (Micro-Architektur)
Grafik-Prozessor auch auf dem Die
In jedem Kern: L1 (z.B. 64 KB je Kern) und L2 (z.B. 256 KB je Kern)
L3 ist z.B. 1 - 20 MB gro
Grafik- Prozessor
Memory Controller
Gemeinsamer L3 Cache (Shared)
Bussysteme
Ein Die
L1/L2 Cache
Kern
L1/L2 Cache
Kern
L1/L2 Cache
Kern
L1/L2 Cache
Kern
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 17 Betriebssysteme
1. Rechnersysteme
2. Betriebssystemarten und Aufgaben von Betriebssystemen
3. Geschichtliches
berblick
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 18 Betriebssysteme
Arten von Betriebssystemen
Betriebssysteme
Mainframes- BS
Server- BS
PC-Betriebs- systeme
Embedded u. Handheld
BS
Unix Linux Solaris Windows
20xx
High End Systeme
IBM OS/390 IBM z/OS Siemens
BS2000
Smartcard- BS
Linux Windows xx MAC OS X
VxWorks QNX OSEK
Echtzeit- BS
Windows mobile
iOS Android Symbian OS Windows
Phone
Auf Chips von Kreditkarten
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 19 Betriebssysteme
Grundfunktionen des Betriebssystems
Das Betriebssystem soll den Anwender bzw. Anwendungsentwickler von Details der Hardware entlasten
Modern strukturierte Betriebssysteme kapseln den Zugriff auf die Betriebsmittel
- der Zugriff funktioniert also nur ber Betriebssystemfunktionen (Systemdienste)
- Virtuelle Maschine ber der Hardware
Wesentliche Aufgabe des Betriebssystems ist die Betriebsmittelverwaltung
Prof. Dr. Peter Mandl Seite 20 Betriebssysteme
Betriebsmittel (1)
Hard-/Softwareressourcen eines Computersystems werden als Betriebsmittel bezeichnet - Prozesse und Pro