Was ist ein Betriebssystem? Geschichte der Betriebssystemen Klassifizierung der Betriebssystemen Aufgaben des Betriebssystems

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1 Betriebssysteme Was ist ein Betriebssystem? Geschichte der Betriebssystemen Klassifizierung der Betriebssystemen Aufgaben des Betriebssystems Inhalt 1

2 Was ist das Betriebssystem Programme (Systemprogramme), die den Betrieb eines Computers möglich machen. Sie steuern und überwachen das Zusammenspiel der Hardwarekomponenten im Rahmen der Auftrags-, Daten-, Arbeitsspeicher- und Programmverwaltung (bes. die Abwicklung einzelner Anwendungsprogramme, den Zugriff von Prozessen auf bestimmte Ressourcen) sowie der Systemsicherung (Fehlererkennung und -behebung). DIN 44300: "Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften dieser Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und die insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen." Was ist das Betriebssystem? 2

3 Was ist das Betriebssystem Wird beim Starten vom Hintergrundspeicher geladen BIOS auf der Hauptplatine, Es lädt das Master Boot Record, Der Lader aus der aktiven Partition wird gestartet (BOOTMGR, GRUB), Das Betriebssystem wird gestartet Bleibt im Hauptspeicher während der gesamten Laufzeit des Rechner. Was ist das Betriebssystem? 3

4 Geschichte : die erste Generation ( ) Charles Babbage Ada Lovelace (Ada Byron) Die Grundidee stammte von Alan Turing. Die erste Maschinen nutzten mechanische Relais, später wurden diese durch Röhre ersetzt. Howard Aiken, John von Neumann in der USA, Konrad Zuse in Deutschland. Programmierung in Maschinensprache (keine Programmiersprache). Eine Person reservierte die Maschine für bestimmte Zeit und hatte dann exklusive Zugang. Es existierte kein Betriebssystem. Geschichte der Betriebssystemen 4

5 Geschichte : die zweite Generation ( ) Die Einführung der Transistoren erhöhte die Zuverlässigkeit des Rechners. Typisch sind die Mainframe, betrieben von professionellen Operateure. Erste Programmierapachen: FORTRAN, Assembly. Betriebssysteme: FMS Fortran Monitor System, IBSYS Stapelverarbeitung (Programme auf Lochkarten) Ablauf der Bearbeitung: Entwickeln auf Papier Auf Lochkarten stanzen Lochkarten beim Operateur abgeben Lochkarten auf Eingabeband kopieren Ein spezielles Programm lädt die Programme von Eingabeband Ergebnisse werden auf Ausgabeband geschrieben Ergebnisse wurden offline ausgedruckt Geschichte der Betriebssystemen 5

6 Geschichte : die dritte Generation ( ) Einführung von integrierten Schaltungen IBM System/360 (OS/360) Neue Konzepte: Multiprogramming Spooling von Jobs auf Festplatten Timesharing: online Zugang zum System über Terminale (CTTS) MULTICS (MIT) : Ziel war ein System für mehrere hunderte Benutzer zu schaffen (Technik war noch nicht vorhanden, heute Cloud) Ken Thompson, Dennis Ritchie (Bell Laboratories) entwickelten UNIX Geschichte der Betriebssystemen 6

7 Geschichte : die vierte Generation ( ) 1974 Intel die erste 8-bit allzweck CPU, 1977 Digital Research CP/M Betriebssystem 1982 PD-DOS 1983 IBM PC XT Intel 8088 Prozessor, PC DOS 2.0 Betriebssystem 1984 IBM PC AT Intel Prozessor 16-bit Apple Computer Lisa Projekt (Xerox), Lisa 2, 1984: Macintosh : Microsoft Windows 1.0 Geschichte der Betriebssystemen 7

8 Geschichte : die vierte Generation ( ) Motif: GUI für UNIX Verteilte Systeme (Paralellprozessing) Echtzeit-Betriebssysteme Eingebettete Systeme Windows CE, Android, Apple ios Chipkartenbetriebssysteme Cloud Geschichte der Betriebssystemen 8

9 Geschichte Personalcomputer 1974 Intel brachte die CPU 8080 auf dem Markt Betriebssystem im ROM (KERNAL, 8 kb!), mit BASIC Interpreter (C-64, ZX Spectrum, Amiga stb). CP/M: 8 bits, Einbenutzermodus, Monoprogramm OS, Digital Research. BIOS (Basic Input/Output System). IBM PC: extended BIOS (ROM-Basic), MS-DOS MS Windows Apple Mac: MacOS (keine Kommandozeile Schnittstelle), MacOS-X (unix-like) PEN Computers (Anfang 60er RAND Tablet, 1991 NCR 3125,1993 IBM Thinkpad) 2007 ios, 2008 Android Google Chrome OS (Chromebooks) Geschichte der Betriebssystemen 9

10 Klassifizierung der Betriebssystemen 1.) Nach der Anzahl der gleichzeitig am Computer arbeitenden Benutzer: 0 Benutzer (keine interaktive Benutzer!) 1 Benutzer Mehr Benutzer 2.) Nach der Anzahl der gleichzeitig laufenden Prozessen: 1 Prozess Mehrere Prozesse (time sharing) 3.) Nach der Betriebsart des Rechnersystems: Stapelbearbeitung Interaktive Systeme - Kommandozeileninterpreter - GUI Klassifizierung der Betriebssystemen 10

11 Klassifizierung der Betriebssystemen 4.) nach der Anzahl der verwalteten Prozessoren bzw. Rechner: Verteilte Systeme (parallele Systeme, Cluster) 5.) Eingebettete Systeme, Echtzeitsysteme,... Klassifizierung der Betriebssystemen 11

12 Klassifizierung der Betriebssystemen Mainframe Betriebssysteme Server-Betriebssysteme Multiprocessor-Betriebssysteme Betriebssysteme für PC Echtzeit-Betriebssysteme Betriebssysteme für eingebettete Systeme Betriebssysteme für Chipkarten Klassifizierung der Betriebssystemen 12

13 Aufgaben des Betriebssystems Ein Betriebssystem hat folgende grundlegende Aufgaben: 1. Verbergen der Komplexität der Maschine (HW) vor dem Anwender (Abstraktion, erweiterte Maschine) 2. Bereitstellen einer normierten Programmierschnittstelle (API), ggf. auch Compiler, Linker, Editor 3. Verwaltung der Ressourcen der Maschine (Zeit, Raum) Prozessor(en) Hauptspeicher Hintergrundspeicher (Platte, Band, etc.) Geräte (Terminal, Drucker, Plotter, etc., Device Management) Rechenzeit (Scheduler) Koordination von Prozessen Aufgaben des Betriebssystemes 13

14 Aufgaben des Betriebssystems Weitere Aufgaben: Verfolgung von Schutzstrategien bei dieser Ressourcenbereitstellung Bereitstellen eine Benutzerschnittstelle "Kommandointerpreter", "Shell" Aufgaben des Betriebssystemes 14

15 Begriffe Der Kernel: zentrale Bestandteil des Betriebssystem, die unterste Softwareschicht des Systems. Nur der Kernel hat direkten Zugriff auf die Hardware. Struktur von Kernel: Monolithischer Kernel, Mikrokernel, Hybridkernel Kernmodus und Benutzermodus (PSW Program Status Word, Ausführungsmodus des Kerns) Shell: Kommandozeile oder graphische Benutzeroberfläche, verbindet den Benutzer mit dem Kernel. Aufgaben des Betriebssystemes 15

16 Speicherverwaltung Speicherhierarchie: Register Cache-Speicher Hauptspeicher Hintergrundspeicher (Archive) Swapping Auslagerung von Prozesse auf den Hintergrundspeicher Aufgaben des Betriebssystemes 16

17 Speicherverwaltung Virtueller Hauptspeicher: auch in Monoprogrammierung, wenn der Prozess mehr Speicher benötigt als physikalisch vorhanden ist. Ähnlich bei Multiprogrammierung Paging: im Hautspeicher werden nur die Teile der Programme geladen, die gerade gebraucht werden Segmentierung. Die Adressierung beginnt mit 0 für jede Segmente (wichtig für gemeinsam benutzte Bibliotheken) Aufgaben des Betriebssystemes 17

18 Prozesse und Threads Ein Prozess ist ein Programm in Ausführung. Multiprogramming quasi parallel laufende Prozesse Jedem Prozess ist ein eigenen Adressraum zugeordnet (im Hauptspeicher) Das ausführbare Programm Code Programmdaten Stack (Keller, Stapel) Maschinenregisters Eintrag in der Prozesstabelle Prozesse können weitere Prozesse starten - Systemaufruf fork() Thread: mehrere Ausführungsfaden im selben Adressraum Realisiert im Benutzeradressraum oder im Kern Interprozesskommunikation: Gemeinsam benutzte Speicher, Signale, Nachrichten, Semaphore Deadlocks und Synchronisation von Threads Aufgaben des Betriebssystemes 18

19 Multitasking, Prozess-Scheduler Scheduler: Steuerung von Zugriff auf CPU zwischen konkurrierenden Prozessen Unterschiedlich Algorithmen mit unterschiedlichen Prioritäten (Antwortzeit, Durchsatz, Vorhersagbarkeit (Predictability),...) Scheduling in Batch Systemen: Shortes Job First,.. Interaktive Systeme: Round Robin Echtzeitsysteme: Programme werden in vorhersagbare Teilprojekte unterteilt Aufgaben des Betriebssystemes 19

20 Multitasking, Prozess-Scheduler 1. Prozess A ist tätig Prozess B ist tätig 2. Prozess C ist tätig Kernel Scheduler

21 Interprozesskommunikation 1) Mechanismen den Datenaustausch zwischen Prozessen zu ermöglichen 2) Kritische Aktivitäten synchronisieren (deadlocks, race conditions) 3) Abhängigkeiten koordinieren Methoden: - shared memory - semaphore - message passing - Signale - pipe (gemeinsam benutzte Datei) - Netzwerke Aufgaben des Betriebssystemes 21

22 Dateisysteme Langfristige Haltung von Daten: Grosse Menge, persistent, Zugriff für mehrere Prozesse ermöglichen Dateisysteme: Teil des Betriebssysteme für die Haltung von Daten Die meisten Betriebssysteme unterstützen das Konzept der Verzeihnisse. Wurzelverzeichnis, Arbeitsverzeichnis, Pfadname Systemaufrufe für Dateien: Create, delete, open, close, read, write, seek, Die physikalische Platte ist auf Partitionen aufgeteilt, jede kann ein Dateisystem enthalten. Verwaltung von Dateien, Dateisysteme: Zusammenhängende Belegung FAT (File Allocation Table) I-Nodes Aufgaben des Betriebssystemes 22

23 Ein- und Ausgabe Bestehen aus zwei Teilen, das Gerät und der Controller. Die Conrollers bieten eine vereinfachte Schnittstelle an. Gerätetreiber (device drivers) bieten die Verknüpfung zwischen dem Controller (das Gerät) und dem Betriebssystem (geliefert duchr den Gerätehersteller für jeden Betriebssystem). Der Gerätetreiber wird In den Kern einzubinden Beim Hochfahren geladen Dynamisch geladen (zb. USB) Datenaustausch durch Systemaufruf, Unterbrechungsmechanismen, DMA Sensoren: Bewegungs-, Position-, Umgebungssensoren (Android-Sensor-Framework) Aufgaben des Betriebssystemes 23

24 Systemaufrufe Einige Maschinenbefehle sind privilegiert (Erreichbarkeit bestimmter Registers durch Kern/Benutzer Bit), gibt es Benutzermodus und Systemmodus. Zugang zu HW Komponente nur im Systemmodus möglich (ausgenommen zum zugeordneten Hautspeicher). Bibliotheksfunktionen aus C oder anderen Hochsprache. Die Umschaltung aus Benutzermodus ins Systemmodus erfolgt über eine Unterbrechung (TRAP Anweisung im Systemaufruf) Aufgaben des Betriebssystemes 24

25 Literatur