Technische Informa/k II. Prof. Dr. Bernd Freisleben Sommersemester 2013 Kapitel 2: Aufgaben von Betriebssystemen

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1 Technische Informa/k II Prof. Dr. Bernd Freisleben Sommersemester 2013 Kapitel 2: Aufgaben von Betriebssystemen

2 Inhalt Folie 02-2 Basiskonzepte und Grundbegriffe Defini/on und Aufgaben Organisa/onsformen

3 Defini/on eines BS Folie 02-3 "Einfache" Defini/on: Ein Betriebssystem ist ein Programm, das dem Benutzer und Anwendungsprogrammen elementare Dienste bereitstellt. Es steuert und überwacht die Abwicklung von Programmen und regelt den Betrieb des Rechensystems. Defini/on nach DIN 44300: Das Betriebssystem wird gebildet durch die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den EigenschaTen der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Ausführung von Programmen steuern und überwachen.

4 Generelle Aufgaben eines BS Folie 02-4 Anpassung von Programmierwelt & Maschinenwelt Bereitstellung von Systemprogrammen z.b.: Assembler, Binder, Lader, Compiler... Grafische BenutzerschniXstellen... Jobabwicklung BetriebsmiXelzuteilung, Schutzfunk/onen, Abrechnung, Fehlerbehandlung... Organisa=on der Maschine BetriebsmiXelverwaltung, Prozessverwaltung... Dateisysteme Verwaltung von Dateien in Verzeichnissen... Verwaltung von Datenträgern... Kommunika=on Anschluß an lokale Netze, ans Internet... Grundlage für Client/Server Architekturen...

5 Qualität eines Betriebssystems Folie 02-5 Effizienz: Geringer Eigenverbrauch an Speicher und CPU- Zeit Gute DienstleistungseigenschaTen: Schnelle Reak/onszeit (bei Client- Rechnern) WirtschaTliche Ausnutzung des Rechners: Vermeidung von ungenutzter CPU- Zeit (bei Servern) Effek/ve Ausnutzung der BetriebsmiXel Zuverlässigkeit: Stabilität gegenüber Fehlverhalten des Benutzers Stabilität gegenüber Fehlverhalten von Programmen: nur lokale Auswirkungen eines Fehlers Erkennen von fehlerhater Hardware Keine Abstürze!!!! Instandhaltung, Portabilität Voraussetzungen: modularer Aufau, gute Dokumenta/on, Evolu/onsfähigkeit, isolierte Hardwareabhängigkeiten

6 Klassische Dienste eines BS (1) Folie 02-6 AuJragsmanagement Joberzeugung, - beendigung, - abarbeitung, - dokumenta/on AuJragsablaufsteuerung Prozessverwaltung, Alarmmanagement, Ereignismanagement, Prozess- Synchronisa/on Arbeitsspeicher/Prozessadreßraum- Verwaltung Abbildung Prozessadreßraum auf Arbeitsspeicher Katalogmanagement Objektverwaltung Datenmanagement Dateidienste, Zugriffsdienste auf Dateien, Iden/fika/on von Sätzen/Blöcken

7 Klassische Dienste eines BS (2) Folie 02-7 E/A- Management Öffnen/Schließen, Schreiben/Lesen, Steuerung und Informa/on Kommunika=onsmanagement Öffnen/Schließen, Senden/Empfangen, Informieren Zeitverwaltung Uhrzeit, Datum, Systemzeit, Prozesszeit, Weckzeit Wartungsmanagement Wartungs- und Normalbetrieb Systemadministra=on Benutzerverwaltung Betriebsinforma/on, langfris/ge Datenhaltung, Gerätebetrieb

8 Aufgaben eines modernen BS (1) Folie 02-8 Start und Betrieb von Programmen als Prozesse Start, Abbruch, Beendigung, Dienste Verwaltung von Prozessen Überwachung, Vermeidung von Verklemmungen Systemadministra=on Benutzerverwaltung Speicherverwaltung Verwaltung von physikalischem und virtuellem Speicher Gerätetreiber für angeschlossene Bus- Systeme PCI, SCSI, USB, Firewire,... Gerätetreiber für angeschlossene Endgeräte Scanner, Drucker, Kameras,...

9 Aufgaben eines modernen BS (2) Folie 02-9 Dateisystem Verwaltung von PlaXenspeicher Zugriff auf Dateien Andere Datenträger: CD, DVD, Speicherkarten,... Mul=media- Subsysteme Sound (Soundkarten, MIDI) Video (Framegrabber, MPEG- Beschleuniger) Kommunika=on Modem- Anschluss, ISDN- Anschluss, DSL- Anschluss,... Anschluss an (drahtlose) lokale Netze und ans Internet Netzprotokolle: TCP/IP, IPX, Appletalk Netzwerkservices: Mail-, Web-, Ftp- Server

10 Aufgaben eines modernen BS (3) Folie Schnelle Grafik Ausnutzung der vorhandenen Grafikfähigkeiten Systemsicherheit Erkennung von Angriffen z.b. "Denial of Service AXacks" Verwaltung einer Hierarchie von Dateisystemen Schnelle (RAID- ) PlaXen im Direktzugriff z.b. mehrere TB Archivspeicher: Bandsysteme, Magazinsysteme, op/sche Backup- Systeme Archivspeicher über das Netz Netzwerk- verteilte Dateisysteme (WebDAV)

11 Komponenten eines klassischen Rechnersystems Folie BetriebsmiWel: - Hauptspeicher - PlaWenspeicher - CPU etc.

12 Basiskonzepte Folie Die SchniXstelle zwischen dem Betriebssystem und den Benutzerprogrammen ist durch die Menge der erweiterten Instruk/onen, die das Betriebssystem bereitstellt, definiert. Diese erweiterten Instruk/onen nennt man Systemaufrufe, die meist durch SoTware- Interrupts realisiert werden. Systemaufrufe erzeugen, löschen und benutzen verschiedene SoTware- Objekte, die durch das Betriebssystem verwaltet werden. Die wich/gsten sind Prozesse und Dateien. Die HauptschniXstelle zwischen einem Rechnerbenutzer und dem Betriebssystem ist der Kommandointerpreter (shell). Dieser gehört (meist) nicht zum eigentlichen Betriebssystem. Er stellt einen Satz von Kommandos bereit, die direkt auf die Betriebssystemfunk/onen zugreifen.

13 Prozesse Folie Ein Prozess ist eine Instanz eines laufenden Programms. Er umfasst das ausführbare Programm, alle Daten des Programms, den Programmzähler (IP), Stackzeiger (SP), Registerinhalte und Kontex/nforma/onen, kurzum alle Informa/onen, die für den Ablauf des Programms erforderlich sind. In Timesharing- Systemen können Prozesse unterbrochen und zu einem späteren Zeitpunkt fortgesetzt werden. Dazu muss der gesamte Prozesszustand gesichert werden. Dies geschieht in einer so genannten Prozesstabelle, in der u.a. alle Registerinhalte und die vom Prozess geöffneten Dateien mit den Posi/onen in diesen Dateien gespeichert werden. Jeder Prozess arbeitet in einem eigenen Adressraum, der in den Hauptspeicher abgebildet und von der virtuellen Speicher- Verwaltung organisiert wird.

14 Dateien Folie Eine Datei ist eine Ansammlung zusammengehörender Informa/onen, die als Einheit aufgefasst wird. Unter dem Begriff Dateisystem (File System) werden alle Teile eines Betriebssystems zusammengefasst, die sich mit der Verwaltung von Dateien beschätigen. Dateisysteme werden meist in Verzeichnissen (Directory) verwaltet, die hierarchisch organisiert sind: Root Directory Pfad Working Directory

15 Organisa/onsformen Folie Monolithische Betriebssysteme Batchsysteme Schichtensysteme (layered systems) Virtuelle Maschinen Mul/programmierung, Time- Sharing Client/Server- Modell Personal Computer, Worksta/on Netzwerk- Betriebssysteme, Verteilte Systeme Peer- to- Peer Modell Personal Computer als Client und Server Verteilte Systeme

16 Monolithische BS Folie Keine besondere Struktur, keine Schutzmechanismen Lediglich Unterscheidung user mode / kernel (supervisor) mode Systemaufruf über SoTware Interrupt (trap) Hauptspeicher 1 Benutzerprogramm 2 Benutzerprogramm 1 kernel call 2 Dispatch table 3 4 Betriebssystem Service Prozedur user mode kernel mode Ablauf eines Systemaufrufes: (1) user traps to kernel (2) Bes=mmung des zu erbringenden Dienstes (3) Bes=mmung der zuge- hörigen Service- Prozedur (4) Rückkehr zum Benutzer- programm

17 Grobstruktur eines monolithischen BS Folie Hauptprogramm zum Aufruf von Service- Prozeduren 2. Menge von Service- Prozeduren 3. Menge von Hilfsprozeduren (U/lity Proc.) Haupt- programm... Service- Prozeduren... Hilfs- Prozeduren

18 Schichtensysteme Folie Erstmals im THE- System 1968, entwickelt von E.W.Dijkstra und Studenten an der Technische Hochschule Eindhoven: 5 Operateur 4 Benutzerprogramme 3 Ein- /Ausgabe- Verwaltung 2 Operateur - Prozess Kommunika=on 1 Speicherverwaltung 0 Prozessorbelegung und Mul=programmierung Wikipedia sagt: Edsger Wybe Dijkstra (* 11. Mai 1930 in RoXerdam; 6. August 2002 in Nuenen, Niederlande) war ein einflussreicher niederländischer Informa/ker.

19 Vereinfachtes Schichtensystem moderner BS Folie Benutzerprozess Benutzerprozess Betriebssystem Systemprozess Systemprozess Systemkern: Kernel Mikrokernel Hardware Abstrac/on Layer (HAL) Hardware

20 Virtuelle Maschinen Folie Beispiel: Großrechner IBM 370 & Betriebssystem VM / 370 Virtuelle 370s Conversa=onal Monitor System IO- Instruk- =onen CMS OS/360 CMS System- aufruf Trap Trap VM / Hardware neueres Beispiel (Mikrocomputer): vmware, Virtual PC (virtueller x86- PC) VM/390 (IBM z- Series)

21 Client/Server- Modell Folie Moderne Rechnerstrukturen: vernetzt, verteilt parallel Vorteile: AuTeilung: Aufgabenverteilung Kernel (Kern) Client (Dienstanforderer) Flexibilität Server (Diensterbringer) Client Process Client Process Process Server Terminal Server... File Server Memory Server user mode Kernel kernel mode Message Passing

22 Abbildung auf verteilte Systeme Folie Client Process Client Process Process Server Terminal Server... File Server Memory Server user mode Kernel kernel mode Message Passing Maschine 1 Maschine 2 Maschine k Client Kernel File S. Kernel Memory S. Kernel Netzwerk Nachricht vom Client zum Server

23 Zusammenfassung Folie Betriebssysteme: Defini/on Aufgaben Dienste Basiskonzepte Organisa/onsformen

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