Willkommen VO Betriebssysteme€¦ · JCL Interpreter Steuerkommandos (JCL) + Programm User Program Area Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Einführung; WS 08/09 11

Willkommen zur

VO BetriebssystemePeter PuschnerI tit t fü T h i h I f tikInstitut für Technische [email protected]

Peter Puschner 1

OrganisatorischesOrganisatorisches• Vorlesung: Montag 13:00c.t.-15:00, InfHSg g ,• Unterlagen

– Buch: William Stallings, “Operating Systems”g p g y– Präsentationen nach VO am Web

(siehe tuwis++, http://ti.tuwien.ac.at/rts )• Prüfungen

– schriftlich, ohne Unterlagen, 90 MinutenTermine: (22 10 2008) 14 1 2009Termine: (22.10.2008), 14.1.2009Anmeldung über Web-Seite

– mündlich: bei Bedarf

Peter Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, Einführung; WS 08/09 2

Betriebssysteme –eine EinführungPeter PuschnerInstitut für Technische Informatik

Peter Puschner 3

Betriebssystem – Was ist das?Betriebssystem Was ist das?


• Wie entstanden die heutigenWie entstanden die heutigen Betriebssysteme?

• Was ist ein Betriebssystem?

• wichtige Grundkonzepte• wichtige Grundkonzepte


Entstehung von gBetriebssystemeny


Entstehung moderner BSEntstehung moderner BSVon der technologischen Entwicklung und der g g

damit verbundenen Kostenentwicklung bestimmt– Hardwarekosten– Kosten der menschlichen Arbeitskraft

teure Hardwareteure HardwareMaximierung der Hardwareauslastung

teure Arbeitskraftteure ArbeitskraftKomfort und Unterstützung für Benutzer


Weitere Faktoren: Fehlerbehebung, neue Anforderungen

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


Serial ProcessingSerial ProcessingProblem: FehleranfälligkeitgLösung: Unterprogrammbibliotheken für I/O

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


Job-Ausführung mit MonitorJob Ausführung mit Monitor

Job vom Eingabegerät in dieUser Programm Area lesen

Interpretierung der JCLKommandos

Ausführung desAnwendungsprogramms

Fortsetzung im Monitor


Monitor (1960)Monitor (1960)

iInterrupt Processing

Device Drivers Job

Job SequencingJCL Interpreter

Steuerkommandos (JCL)+

ProgrammUser Program

Area

Programm

Area


MonitorMonitor• Speicherschutz• Timer• Privilegierte Instruktionen• Interrupts

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

Lösung: parallele CPU und I/O AktivitätPufferung und I/O Interrupts


g p

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

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

Lösung: Multiprogramming bzw. Multitasking


Multiprogrammed Batch SystemsMultiprogrammed Batch Systemsrun wait run wait

runA wait run

Await

runB wait run

Bwait

runA

runA

runB

runB


Multiprogrammed Batch SystemsMultiprogrammed Batch SystemsDie “parallele” Ausführung von Programmen macht p g g

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 SystemsTime Sharing SystemsProblem: Mehrere Benutzer teilen einen Computer; p ;

Warten auf Fertigstellung von Batch JobsLösung: Preemptive Scheduling, Prioritäten

Problem: Daten und Programme sollen für gBenutzer leicht verfügbar sein

Lösung: Filesystem am Rechner


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

Austausch von DatenN t kiNetworking Security

• Wachstum des Internet• Wachstum des InternetMiddleware (Java API)

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

Pervasive Computing


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

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

• 1981 MS-DOS auf IBM PC (4000 Zeilen Ass.)1983 PC XT F t l tt i Di t 64 Fil• 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? y


Betriebssystem als InterfaceBetriebssystem als Interface• Interface zwischen Benutzer und Hardware

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


Was interessiert uns ?Was interessiert uns …?


Betriebssystem - SichtenBetriebssystem Sichten

End-Endbenutzer Programmierer

AnwendungsprogrammeBetriebssystem-

designer

Utilities

Computerhardware

Betriebssystem


Computerhardware

Betriebssystem als DienstleisterBetriebssystem als Dienstleister• Programmausführungg g• Programmerstellung• I/O, Filezugriff, NetzwerkkommunikationI/O, Filezugriff, Netzwerkkommunikation• Zugangskontrolle• Fehlererkennung und BehandlungFehlererkennung und Behandlung• Logging (Überwachung, Accounting)


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

Programmen abg– leitet den Prozessor bei der Verwendung der

Ressourcen und bei der Zeitzuteilung an Prozesse


i i G dk teinige Grundkonzepte


Abstraktion… Abstraktion … • Abstraktion

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

• Standard Interface - Portabilität• Verwaltet die Ressourcen

– CPU, Arbeitsspeicher, Platte, Netzwerkzugriff


Einige KonzepteEinige Konzepte• Prozesse• Speicherverwaltung• ZugriffsschutzZugriffsschutz• Scheduling und Ressourcenverwaltung• SystemarchitekturSystemarchitektur


ProzessProzessInformell:

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

Anforderungen an Prozessmanagement:– Zeitzuteilung– Signalisieren von Ereignissen

M t l E l i– Mutual Exclusion– Synchronisation– Deadlockvermeidung bzw -behandlung


– Deadlockvermeidung bzw. -behandlung

ProzessProzessArbeitsspeicher Register

P Id iProzess-liste

i

j

Proz.Idx iPC

Basis bj

Kontext

BasisLänge

weitere

bl

DatenProg.

Prozess A ...weitere

Register

KontextDatenProzess B

b

l


Prog.

SpeicherverwaltungSpeicherverwaltung• Virtual Memoryy

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


SpeicherverwaltungSpeicherverwaltung• Verwaltung der Speicherzuteilung an Prozesseg p g

– Speicherzuteilung an Prozesse nach Bedarf– Auslagern von Speicherinhalten auf

Sekundärspeicher• Verwaltung der Zugriffsrechte

S h t d I l ti d P– Schutz und Isolation der Prozesse– Gemeinsamer Speicher (Shared Memory)

• Filesystem• Filesystem


Memory Management ViewsMemory Management Views

VirtuellerProzessor

VirtuellerSpeicher Files

Benutzersicht

RealerP

Adress-b

Haupt-i h

Sekundär-i hhProzessor übersetzg. speicher speichervirt.

Adr.phys.Adr. Swapping


Sicht des BS-Designers

Datenschutz und SicherheitDatenschutz und Sicherheit• Access Control

– Wer darf welche Ressourcen verwenden– erlaubte Operationen

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


Scheduling RessourcenverwaltungScheduling, RessourcenverwaltungZuteilung von Rechenzeit und Betriebsmitteln an g

die Prozesse• Fairness• Behandlung verschiedenartiger Anforderungen• Effizienz• Lifeness


SystemarchitekturSystemarchitektur• Modularer Aufbau - überschaubare Teile• klar definierte Interfaces: Module können ohne

Wechselwirkungen geändert werden• Schichten

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

darunterliegenden Schichten


Ursprüngl Unix-SchichtenmodellUrsprüngl. Unix SchichtenmodellName Objekte

roce

ssor

67

SekundärspeicherVirtueller Speicher

Datenblöcke, -kanäleSeiten, Segmente

sing

le p

r

5 primitive Prozessep

Prozesse, Ready list,Semaphore

,

or-H

W

3 Prozeduren Prozeduren, Call Stack4 Interrupts Interruptbehandlung

sPr

ozes

so

1 Schaltkreise Register Gatter Busse

2 Instruktionen Eval. Stack, skalareDaten, Felder


P 1 Schaltkreise Register, Gatter, Busse

Urspr Unix-Schichtenmodell (2)Urspr. Unix Schichtenmodell (2)Name Objekte

esso

rs

1213

User-ProzesseShell

BenutzerprozesseProgrammierumgebung

10 Devices Drucker, Bildschirm,11 Directories Directories

ore

proc

e p

9 Filesystem FilesTastatur

ne o

r mo

8 Kommunikation Pipeson


Windows Architektur (Bsp )Windows Architektur (Bsp.)User Mode

SystemProcessesSystem

Processes ServicesServices ApplicationsApplications EnvironmentSubsystems

EnvironmentSubsystems

// i di d

Executive APIExecutive APIKernel Mode

I/OManager

I/OManager

FileS t

FileS t

WindowManagerWindowManagerGraphicsD DGraphicsD D

LPCFacility

LPCFacility

MemoryManagerMemoryManager

ProcessManagerProcessManager

SecurityRef.

Monitor

SecurityRef.

Monitor

Plug’nPlay

Plug’nPlay

PowerManagerPower

Manager

Device DriversDevice Drivers MicrokernelMicrokernel

Object ManagerObject ManagerSystemsSystems Dev. Dr.Dev. Dr.

Device Drivers Microkernel


Hardware Abstraction Layer (HAL)Hardware Abstraction Layer (HAL)Device DriversDevice Drivers MicrokernelMicrokernel

Hardware Abstraction Layer (HAL)Device Drivers Microkernel

Unix Architektur (SVR4)Unix Architektur (SVR4)

execa.outelf

execswitch

Virtual memory vnode/vfs

File mappings

DeviceNFS

FFSVirtual memoryframework

vnode/vfsinterface

Common

mappings

Anonymousmappings

FFS

RFS

s5fs

SchedulerBlock device

CommonFacilities

mappings

i k d iTime-sharing

S

frameworkswitch

S

Disk driver

Taped i

processes

System processes


StreamsdriverNetwork

drivertty driver

RückblickRückblick• BS macht Computer “verwendbar”p• stellt Abstraktionen zur Verfügung

– Prozess, Speicher, Kommunikation, Synchronisationp y• bietet ein portables Programmierinterface• verwaltet Ressourcen


AusblickAusblick• Prozesse, Threads,• Parallelität, Synchronisation (Mutual Exclusion)• DeadlockDeadlock• Speicherverwaltung (Virtual Memory)• SchedulingScheduling• Ein- und Ausgabe• Dateiverwaltung• Dateiverwaltung• Security


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