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Überblick über Betriebssysteme

• Kapitel 2

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Betriebssysteme

• Ist ein Programm, das die Ausführung von
  Anwendungsprogrammen steuert
• Dient als Schnittstelle zwischen den Anwendungen
  und der Computerhardware.

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Zielen von Betriebssysteme

• Bequemlichkeit
• Ein Computer kann bequemer benutzt werden.
• Effizienz
• Computersystemressourcen können effizient genutzt
  werden.
• Fähigkeit zur Weiterentwicklung
• Ermöglicht die effektive Entwicklung, das Testen
  und die Einführung neuer Systemfunktionen, ohne
  das dies den Betrieb negativ beeinflusst.

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Schichten und Ansichten eines Computersystems
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Dienste die ein Betriebssystem anbietet.

• Programmentwicklung
• Editoren und Debugger
• Programmausführung
• Zugriff auf E/A-Geräte
• Kontrollierter Zugriff auf Dateien
• Systemzugriff

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Dienste die ein Betriebssystem anbietet

• Fehlererkennung und Reaktion auf Fehler
• Interne und externe Hardwarefehler
• Speicherfehler
• Ausfall von Geräte
• Softwarefehler
• arithmetischer Überlauf
• Zugriff auf geschützte Speicherzellen
• Betriebssystem kann einer Anforderung einer
  Anwendung nicht nachkommen.

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Dienste die ein Betriebssystem anbietet

• Buchführung
• stellt Nutzungsstatistiken auf
• Leistungen überwachen
• Nützlich, um die Notwendigkeit zukünftiger
  Erweiterungen abschätzen zu können.
• Kann zu Abrechnungszwecken verwendet werden.

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Betriebssystem

• Funktioniert auf die gleiche Art und Weise wie
  normale Computersoftware
• es ist ein Programm das durch den Prozessor
  ausgeführt wird.
• Das Betriebssystem gibt die Kontrolle häufig ab
  und ist darauf angewiesen dass der Prozessor es
  ihm ermöglicht die Kontrolle zurück zu erlangen.

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(No Transcript)
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Kernel

• Teil des Betriebssystem welcher sich im
  Hauptspeicher befindet.
• Umfasst die am häufigsten verwendeten Funktionen
• auch bezeichnet als Betriebssystemkern

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Fähigkeit zur Weiterentwicklung

• Hardwareupgrades und neue Hardwaretypen
• Neue Dienste
• Reparaturen (fixes)

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Entwicklungsgeschichte der Betriebssysteme

• Serielle Verarbeitung
• Kein Betriebssystem (50er Jahren)
• Rechner wurden von einer Konsole aus gestartet,
  die Kontrollleuchten, Kippschalter, Eingabegeräte
  (Lochkartenleser) und Drucker umfasste.
• Reservierungsterminkalender auf Papier
• Für einen einzelnen Programmlauf, konnte es
  notwendig sein, einen Compiler, Quellprogramm, zu
  laden. Das kompilierte Programm zu sichern, usw.

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Entwicklungsgeschichte der Betriebssysteme

• Einfache Stapelbetriebssysteme
• Monitor
• Benutzer hat keinen direkter Zugriff auf den
  Rechner
• Der Monitor steuert die Sequence der Ereignisse
• Jobs werden vom Operator aufeinander gestapelt
• Nach Programmbeendigung wird zum Monitor zurück
  verzweigt
• Ein Teil, der Residenter Monitor, befindet sich
  stets im Hauptspeicher

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Jobsteuersprache Job Control Language (JCL)

• Eine spezielle Art von Programmier-sprache.
• Stellt dem Monitor Befehle zur Verfügung
• der Compiler der geladen werden soll
• Die Daten die vom Programm verwendet werden
  sollen

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Hardwaremerkmale

• Speicherschutz
• Ein Benutzerprogramm darf den Speicherbereich,
  der den Monitor enthält, nicht verändern.
• Timer Der wird verwendet um einzelne Jobs daran
  zu hindern, das System für sich alleine auf Dauer
  in Beschlag zu nehmen.

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Einprogrammbetrieb

• Prozessor muss mit der Ausführung warten auf den
  E/A-Befehlsablauf.

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Mehrprogrammbetrieb

• Während ein Job auf die E/A wartet, kann der
  Prozessor zu dem anderen Job umschalten

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Mehrprogrammbetrieb
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(No Transcript)
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Beispiel
JOB1 JOB2 JOB3 Art des Jobs umfangreiche umfangre
iche umfangreiche Berechnungen E/A E/A Dauer 5
min. 15 min. 10 min. Speicherbedarf 50K 100 K 80
K Festplatte? No No Yes Terminal? No Yes No Drucke
r? No No Yes
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Auswirkung des Mehrprogramm-betriebs auf die
Ressourcennutzung
Uniprogramming Multiprogramming Prozessornutzung
22 43 Speichernutzung 30 67 Festplattennutzung
33 67 Druckernutzung 33 67 Zeitaufwand 30
min. 15 min. Durchsatzrate 6 jobs/hr 12
jobs/hr Mittlere Antwortzeit 18 min. 10 min.
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Timesharing

• Mehrprogrammbetrieb für die Abarbeitung mehrere
  interaktive Jobs.
• Die Zeit des Prozessors wird auf mehrere Benutzer
  verteilt.
• Mehrere Benutzer greifen gleichzeitig über
  Terminals auf das System zu.

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Stapelmehrprogrammbetrieb im Vergleich mit
Timesharing
Stapelmehrprogramm-betreib Time Sharing
Hauptziel Maximierung der Prozessorausnutzung Minimierung der Antwortzeit
Anweisungsquelle für das Betriebssystem Befehle in Jobsteuerungs-sprache, die mit dem Job bereitgestellt werden Befehle, die am Terminal eingegeben werden
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(No Transcript)
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Wichtige Errungenschaften

• Prozesse
• Speicherverwaltung
• Informationsschutz und Sicherheit
• Ablaufplanung und Ressourcen-verwaltung
• Systemstruktur

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Prozesse

• Ein Programm in der Ausführung
• Eine Instanzierung eines Programms, welches auf
  einem Prozessor ausgeführt werden kann
• Die Einheit, die einem Prozessor zugeteilt und
  auf einem Prozessor ausgeführt werden kann
• Eine Aktivitätseinheit, die durch einen einzigen
  sequentiellen Ausführungs-Thread, einen aktuellen
  Status und einen zugehörigen Satz
  Systemressourcen gekennzeichnet wird

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Hauptursachen für Programmierfehler in der
Entwicklung der Systemsoftware

• Falsche Synchronisation
• Das Betriebssystem muss gewährleisten dass ein
  Prozess, das auf ein E/A-Gerät wartet auch das
  Signal empfangen wird.
• Fehlgeschlagener gegenseitiger Ausschluss
• Nichtdeterministischer Programmbetrieb
• Ergebnisse sollten nur von der Eingabe und nicht
  von den Aktivitäten andere Programme abhängen
• Verklemmungen (Deadlocks)

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Prozess

• Besteht aus drei Komponenten
• Ein ausführbares Programm
• Die zugehörige Daten, die das Programm benötigt
• Den Ausführungskontext des Programms
• Alle Informationen, die das Betriebssystem
  braucht, um den Prozess zu verwalten

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Prozess
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Speicherverwaltung

• Prozessisolierung
• Automatische Zuordnung und Verwaltung
• Unterstützung der modularen Programmierung
• Schutz und Zugriffskontrolle
• Langzeitspeicher

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Virtueller Speicher

• Es ermöglicht den Programmen, den Speicher von
  einem logischen Standpunkt aus anzusprechen
• Bei der Ausführung aufeinander folgender Prozesse
  kommt es zu keiner Unterbrechung, wenn ein
  Prozess auf den Sekundärspeicher ausgelagert und
  der nachfolgende Prozess eingelesen wird

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Paging

• Paging ermöglicht es, Prozesse aus einer Anzahl
  von Blöcken mit fester Grösse, genannt Seiten, zu
  bilden
• Eine virtuelle Adresse besteht aus einer
  Seitenzahl und einem Offset innerhalb der Seite
• Die einzelnen Seiten können im Hauptspeicher
  beliebig angeordnet sein
• Das Paging-System sorgt für eine dynamische
  Abbildung der virtuellen oder logische Adressen
  und der realen Adressen, oder physikalische
  Adressen

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(No Transcript)
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Adressierung beim virtuellen Speicher
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Ablaufplanung und Ressourcenverwaltung

• Fairness
• allen Prozessen ungefähr den gleichen und fairen
  Zugriff geben
• Differenzierte Ansprechempfindlichkeit
• muss zwischen unterschiedlichen Jobklassen
  unterscheiden
• Effizienz
• den Durchsatz maximieren, die Antwortzeit
  minimieren, so viele Benutzer wie möglich bedienen

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Hauptelementen eines Betriebssystems
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Systemstruktur

• Wir können das Betriebssystem als eine Reihe von
  Ebenen betrachten
• Jede Ebene führt einen zugeordneten Teil an
  Funktionen aus
• Die einzelnen Ebenen verlassen sich für die
  Durchführung einfacher Funktionen auf die nächst
  tiefere Ebene
• Ein Problem wird so in eine Reihe von leichter zu
  handhabenden Teilproblemen aufgespaltet

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Hierarchie eines Betriebssystems
Ebene Name Objekte Beispieloperationen 13 Shell Be
nutzerprogrammier- Aussagen in Shell-Sprache umg
ebung 12 Benutzerprozesse Benutzerprozesse Beenden
, Löschen,
Unterbrechen, Wiederaufnehmen 11 Verz
eichnisse Verzeichnisse Erstellen, Löschen,
Anhängen, Ablösen, Suchen, Auflisten
10 Geräte Externe Geräte, wie Öffnen, Schließen,
Lesen, Drucker, Tastaturen Schreiben und
Anzeigegeräte 9 Dateisystem Dateien Erstellen,
Löschen, Öffnen Schließen, Lesen,
Schreiben 8 Kommunikation Kanäle
(Pipes) Erstellen, Löschen, Öffnen Schließen,
Lesen, Schreiben
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Hierarchie eines Betriebssystems
Ebene Name Objekte Beispieloperationen 7 Virtuelle
r Speicher Segmente, Seiten Lesen, Schreiben,
Aufrufen 6 Lokaler Sekundär- Datenblöcken,
Geräte- Lesen, Schreiben, Zuweisen, Speicher kan
äle Freigeben 5 Einfache Prozesse Einfach
Prozesse, Unterbrechen, Wiederauf- Semaphore,
Bereit- nehmen, Warten, schaftslisten Signalisi
eren
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Hierarchie eines Betriebssystems

• Ebene Name Objekte Beispieloperationen
• 4 Interrupts Interrupt-Steuer- Aufrufen,
  Verdecken, Auf-
  
  programme decken, erneuter Versuch
• Prozeduren Prozeduren, Aufruf-,
  Stapelmarkierung, Aufruf,
• stapel, Anzeige Rücksprung
• 2 Befehlssatz Auswertungsstapel, Laden,
  Speichern,
• Microprogrammüber-, Addieren, Subtrahieren,
• setzer, Skalar- und Verzweigen
• Felddaten
• 1 Elektronische Register, Gatter, Busse, Löschen,
  Übertragen,
• Schaltungen usw Aktivieren,
• Vervollständigen

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Merkmale moderner Betriebsysteme

• Mikrokernel-Architektur
• Hierbei werden dem Kernel nur einige wesentliche
  Elemente zugeordnet
• Unterstützung von Adressräumen
• Interprozesskommunikation (IPC)
• Grundlegendes Scheduling

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Merkmale moderner Betriebsysteme

• Multithreading
• ein Prozess wird in mehrere Threads aufgeteilt
  die nebenläufig ausgeführt werden können
• Thread
• Eine Arbeitseinheit, die sich per Dispatcher
  zuordnen lässt
• wird sequentiell ausgeführt und kann unterbrochen
  werden
• Prozess
• Ein oder mehrere Threads mit dazugehörenden
  Systemressourcen

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Merkmale moderner Betriebsysteme

• Symmetrischer Mehrprozessorbetrieb
• es sind mehrere Prozessoren vorhanden
• Diese Prozessoren teilen sich denselben
  Hauptspeicher, dieselben E/A-Geräte und sind
  durch einen Kommunikationsbus miteinander
  verbunden
• Alle Prozessoren können dieselben Funktionen
  ausführen

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Merkmale moderner Betriebsysteme

• Verteilte Betriebssysteme
• Schafft die Illusion eines einzigen
  Hauptspeicherraums und eines einzigen
  Sekundärspeicherraums
• wie z.B. ein System für verteilte Dateien

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Merkmale moderner Betriebsysteme

• Objektorientierter Aufbau
• Ermöglicht das disziplinierte Hinzufügen von
  modularen Erweiterungen zu einem kleinen Kernel
• Ermöglicht den Programmierern, ein Betriebssystem
  ohne Zerschlagung der Systemintegrität nach Maß
  zuzuschneidern

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Windows 2000

• Nutzt die Verarbeitungsfähigkeiten heutiger
  32-Bit-Mikroprozessoren aus
• Es handelt sich um ein Multitasking-Betriebssystem
  , obwohl es nach wie vor für die Unterstützung
  eines einzelne interaktiven Benutzers gedacht
  ist.
• Client/Server System

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Windows 2000 Architektur

• Modularer Aufbau verleiht ein hohes Maß an
  Flexibilität
• Läuft auf einer Vielzahl von Hardwareplattformen
  (??)
• Unterstützt Anwendungen, die für eine Vielzahl
  anderer Betriebssysteme geschrieben wurden

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Betriebssystemaufbau

• Modifizierte Mikrokernel-Architektur
• Nicht ein reiner Mikrokernel (denn)
• Viele Systemfunktionen laufen außerhalb des
  Mikrokernels im Kernel-Modus
• Jedes Modul kann entfernt, aufgerüstet oder
  ausgetauscht werden, ohne dass das gesamte System
  neu geschrieben werden muss

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(No Transcript)
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Client/Server-Modell

• Vereinfacht die Executive
• es ist möglich eine Vielzahl von APIs zu
  konstruieren
• Verbessert die Zuverlässigkeit
• Jedes Executive-Service-Modul läuft geschützt mit
  einer eigenen Speicherpartition
• Clients können nicht direkt auf die Hardware
  zugreifen
• Bietet eine passende Grundlage für die verteilte
  Verarbeitung in Computernetzen

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Threads and SMP

• Unterschiedliche Routinen können simultan auf
  unterschiedlichen Prozessoren laufen
• Mehrere Threads desselben Prozesses können
  gleichzeitig auf verschiedenen Prozessoren
  ausgeführt werden
• Server-Prozesse können mehrere Threads einsetzen
• Gemeinsame Nutzung von Daten und Ressourcen durch
  Prozesse

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UNIX

• Die zugrunde liegende Hardware ist von der
  Betriebssystemsoftware umgeben
• Das Betriebssystem wird als System-Kernel
  bezeichnet
• Unix ist zusätzlich mit einer Reihe von
  Benutzerdiensten und Schnittstellen ausgestattet,
  die auch als Teil des Systems angesehen werden
• shell
• C compiler

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UNIX
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Modern UNIX Systeme

• System V Release 4 (SVR4)
• Solaris 2.x
• HPux
• 4.4BSD
• Linux

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Unix-Geschichte