SS 2007 Version vom 21.03.2007 Betriebssysteme und Grundlagen Verteilter Systeme © H. Weber, FH Wiesbaden Übersicht Folie 2 Organisation Leitung: H

SS 2007

Version vom 21.03.2007

Betriebssysteme und Grundlagen Verteilter Systeme © H. Weber, FH Wiesbaden Übersicht Folie 2

Organisation

Leitung: H. WeberPraktikum: Abdellaoui, Adrian, Debusmann,

Schäfer, Weber

Vorlesung:Do, 7.45 - 10.15 (3 Stunden V, inkl. Pause)

Praktikumsgruppen : 3-stündig

PL/SL : Klausur am Semesterende

Praktikum: 2 bewertete (live) Aufgaben (je 40 %) undweitere 5 Aufgaben (je 2%), mündlicher Anteil (5%), Praktikumsordner (5%)


Literatur I

R. Brause, Betriebssysteme – Grundlagen und Konzepte, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2001

A.S. Tanenbaum, Moderne Betriebssysteme, 2. Auflage, Pearson-Verlag 2002

C. Vogt, Betriebssysteme, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001

J. Nehmer, P. Sturm, Systemsoftware – Grundlagen moderner Betriebssysteme, dpunkt-Verlag, Heidelberg 1998

A. 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


Inhalt der Vorlesung

ÜbersichtProzesseProzeßsynchronisationSpeicherverwaltungDateiverwaltungEin- und AusgabeverwaltungVerteilte Systeme

Übersicht

Kap. 1


Kap. 1 - Inhalt

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


Betriebssystem-Zoo


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.


benutzt

benutzt

benutzt

Benutzer

Benutzerprogramm

Maschinenhardware

Betriebssystem

Betriebssystemschichten I


Betriebssystemschichten II

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

Betriebssystemdienste Hardware

HW

Schichtenmodell Zwiebelschalenmodell


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 I SCSI-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 ?!?


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 dazu Daten, 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


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


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.


Geschichte III

2. Generation (1955-1965):Nach Einfuhrung 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


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


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

Oberflächen Marktdominierende 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) Realzeitfähigkeit Fehlertoleranz / Robustheit Multimedia WWW- Anbindung


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?


Aufbau I - Unterschiedliche Arten von BSn

Mainframe-BetriebssystemeServer-BetriebssystemeMultiprozessor-BetriebssystemePC BetriebssystemeEchtzeit-BetriebssystemeBetriebssysteme für eingebettete SystemeBetriebssysteme für Chipkarten


Aufbau II - Betriebssystemgliederung

Benutzerschnittstelletextuelle und graphische Interaktion mit dem Benutzer

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

ÜbersetzungsprogrammeInterpreter, Compiler, Translator, ..

OrganisationsprogrammeSpeicher-, Prozessor-, Geräte-, Netzverwaltung


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


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...

Adr 0017 Status PS der ISR 8

Adr 0016 Adresse PC der ISR 8





Asynchrones HW-Interrupt-Signal 7

ISR = Interrupt Service Routines = Treiber

PS = Processor Status Word (prio, mode,..)


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-

verwaltungSerielle Ein/Ausgabe Dateisystem

Prozess-Dis-play

TTY Drucker MausPlatte

FloppyNetz

manage-ment

Hardware

Multi-UserMulti-User

Multi-Multi-programmingprogramming

Implementierungsunabhängige Schnittstellen:PPortable OOperating SSystem IInterface based on UniXX


Aufbau IX - UNIX Systemsoftware I

Systemprogramme ar build & maintain archivescat concatenate filesstandard outcc 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 file lp print a filels list files and directoriesmv move a filesh start a user shelltee copy standard in to standard

out andto a file

wc word count


Aufbau XI – Monolitisches System


Aufbau XII – Geschichtetes System

Struktur des THE Betriebssystems


Aufbau XIII – Virtuelle Maschinen

Struktur von VM/370 mit CMS


Aufbau XIV – Client-Server Modell


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

Mikrokern Vorteile: minimaler Kern, alle Funktionen modularisiert

austauschbar Nachteile: Kommunikationsdauer zwischen Managern


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


Aufbau XIX – Bsp.: Windows NT - Betriebssystemkern

user modekernel mode

SystemdiensteObject

ManagerProcess

ManagerLocal

Proc. CallsMemoryManager

SecurityMonitor

I/OSystem

Kernel

Hardware Abstraction Layer HALHardware

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)


Rechnerarchitekturen II

Multiprozessorsystem

Verbindungsnetzwerk „Tanzsaal “

BS- Kern

Nutzer 1Programm

... Nutzer nProgramm

P 1 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


Rechnerarchitektur IV

Rechnernetz

VerbindungsnetzwerkLAN, WAN

P1 Pn

BS- Kern

Nutzer 1Programm

BS- Kern

Nutzer nProgramm


Wichtige Konzepte I

ProzesseDateienSystemaufrufeShells


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


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)


Konzepte VII – Systemcalls für File Management


Konzepte VII – Directory Management


Konzepte IX - Verschiedene


Konzepte X – UNIX/Windows32 - Systemaufrufe


Konzepte XI – Eine kleine Shell

while (TRUE) { /* repeat forever */ type_prompt( ); /* display prompt */ read_command (command, parameters) /* input from

terminal */ if (fork() != 0) { /* fork off child process */ /* Parent code */ waitpid( -1, &status, 0); /* wait for child to exit */ } else { /* Child code */ execve (command, parameters, 0); /* execute command */ }}

Documents

SS 2007 Version vom 21.03.2007 Betriebssysteme und Grundlagen Verteilter Systeme © H. Weber, FH Wiesbaden Übersicht Folie 2 Organisation Leitung: H