Zuse Z3 (1941) Original im 2. Weltkrieg zerstört, Modell im Deutschen Museum, Elektromechanisch, Vorläufer Z1...

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1 B. Einführung & Geschichte der Betriebssysteme B.1 Erste Generation von Rechnern: Röhren und Magnetkontakte (Relais). Kein Betriebssystem, nur fest verdrahtete Programme. Programmsteuerung durch Klinkenfelder & Steckverbindungen. Nutzung für numerische Berechnungen (z.b. Tabellen für Logarithmus). Aufwendiger Betrieb und Wartung. ENIAC (1944): Electronic Numerical Integrator And Computer, ~ Verstärkerröhren, kg, 140 KW Zuse Z3 (1941) Original im 2. Weltkrieg zerstört, Modell im Deutschen Museum, Elektromechanisch, Vorläufer Z1... B-1

2 B.2 Zweite Generation: Transistortechnik: Weiterhin sehr teuer (mehrere Millionen EUR). Verbesserte Zuverlässigkeit, reduzierter Stromverbrauch, weniger Volumen. Betriebssystem IBSYS: für IBM 7094 Zentralrechner, Vorrechner IBM 1401 für die Peripherie, Lochkartenleser, Zeilendrucker, Magnetbandstationen, Stapelbetrieb. Anwendungen & Betriebsweise: vorbereitete Programme auf Lochkarten & Lochstreifen, keine Interaktion während der Ausführung, zu Batches zusammengefasste Jobs. Sprachen: Assembler für System- & hardwarenahe Aufgabenstellungen, Fortran für wissenschaftliche und technische Berechnungen, Algol 60 als Vorläufer heutiger Programmiersprachen, Cobol für kommerzielle Anwendungen. B-2

3 Bedienerkonsole für eine IBM 7090: Systemstart über die Konsole, Eintippen einer Bootsequenz, Anzeige der wichtigsten Prozessorzustände, Anzeige der E/A-Kanäle oberhalb. B-3

4 B.2.1 Stapelbetrieb (batch processing): Nach wie vor sequentielle Verarbeitung der Programme. keine Interaktion zwischen Programm & Benutzer. Job = Menge von Programschritten eines Nutzers (Compile,Link, Run). Stapel/Batch = Sammlung von Jobs. Manueller Betrieb: Der Operateur lädt den nächsten Job, wenn der alte Job abgearbeitet ist, Führt zu längeren Wartezeiten des zentralen Rechners (Mainframe). Automatischer Batch-Betrieb (Spooling): kleiner, kostengünstiger Vorrechner liest neue Jobs und speichert diese auf Band, dieses Band dient als Eingabe für den Mainframe (siehe Bild). Systemband Lochkarten Lochstreifen B-4 Vorrechner IBM 1401 Vorrechner IBM 1401 IBM 7094 Eingabeband Hauptrechner Drucker Ausgabeband

5 B.2.2 Monitor als Betriebssystem der ersten Stunde: Monitor = speicherresidenter Befehlsinterpreter: steuert das Einlesen der batch-jobs vom Magnetband, steuert das Ausgeben der Resultate auf Magnetband, Monitor holt passende Bibliotheken vom Systemband: Compiler, Linker/Lader,... Job Control Language Steuerbefehle z.b. auf Lochkarten: Jobbeschreibung (Zeit, Speicherbedarf, Anzahl Bänder, Userid...), Dienstprogramme, Quellprogramm, Datenstapel... B-5

6 B.3 Dritte Generation: Einführung von integrierten Schaltungen (einige Transistoren/Chip). Zunehmend alphanumerische Datenverarbeitung. OS/360 für IBM System/360 Rechnerfamilie: Abfolge von kompatiblen Rechnern (ab 1964). Stapelbetrieb für wissenschaftlichen und kommerziellen Bereich. OS/360 sehr komplex, mehrere Mio. Zeilen Assembler-Code, >1000 Entwickler, viele Bugs. Mehrprogrammbetrieb (Multiprogramming): mehrere Jobs gleichzeitig im Hauptspeicher, Verteilen der CPU nach Prioritäten, Und E/A-Wartezeiten ausnutzen => Betriebssystem Job-1 BS Job-1 Job-2 Job-3 I/O I/O starten Job-2 Job-3 Speicher Interrupt B-6

7 Vorerst weiterhin Spooling-Betrieb: eventuell ohne separaten Vorrechner, Simultaneous Peripheral Operation On Line, Jobs von Lochkarten einlesen & zwischenspeichern. Nachladen eines Jobs, sobald Speicher frei. analog für Job-Ausgabe. Nicht interaktiv! Time Sharing (Zeitscheibenkonzept): Mehrprogrammbetrieb als Grundlage für interaktivr Nutzung, Dialogbetrieb: jeder Benutzer ist über ein Terminal mit dem System verbunden. quasi-parallele Ausführung von Jobs => Multitasking Job erhält CPU und Hauptspeicher für eine bestimmte Zeitscheibe Delta-t. kurze Zeitscheiben zur Unterstützung interaktiver Benutzer. wenn Job in Delta-t nicht fertig, wieder in Warteschlange für CPU einreihen. CTSS (Compatible Time Sharing System) als erstes Time Sharing System vom MIT (Boston, USA, 1962). Oft Kombination von Hintergrundarbeit (Batch Processing) und Vordergrundarbeit (Time Sharing). B-7

8 B.3.1 Geschichte des Unix Betriebssystemes: Vorläufer: MULTICS (1965): Multiplexed Information and Computing System. Idee analog zur Elektrizitätsversorgung: bei Bedarf steckt man Stecker in Dose und bezieht Elektrizität (Rechenleistung, Speicher). von MIT, Bell Labs, General Electrics. wurde nicht kommerziell genutzt. aber viele neue Ideen: Mehrbenutzer, Ring-Protection, File-Mapping, Prozesse, Ken Thompson schrieb abgespeckte Version: UNICS (Uniplexed Information and Computing Service) für Einbenutzersysteme. Dennis Ritchie (stehend) & Ken Thompson vor einem PDP-11 System B-8

9 UNIX (1969): Dennis Ritchie entwickelte die Sprache C. schrieb UNICS zusammen mit Thompson neu in C => UNIX Zeilen C und 900 Zeilen Ass. nachfolgend vielfach portiert und erweitert. Minix (1987): Andrew S. Tanenbaum, Mikrokern-Architektur, wird im Lehrbetrieb eingesetzt, war schnell beliebt bei den Studenten, die das System anschließend erweiterten. Linux (1991): Linus Torvalds (finnischer Informatikstudent) => schreibt Minix von Grund auf neu, monolithische Architektur, speziell für i386 Plattform. unter GNU Public License. Gründung der SUSE GmbH (1992). Linux Kernel Version 1.0 (1994). AMD64 Versionen verfügbar. B-9

10 B.4 Vierte Generation: Mikrocomputer-Hardware: large scale integrated circuits (LSI), Bauelemente mit Tausenden von Transistoren. Entwicklung von Mikrocomputern und PCs. Software: BS überwinden Rechnergrenzen (IP-Protokolle), Parallelität durch Threads. graphische Benutzschnittstellen. Die Geschichte wiederholt sich: zuerst einfache Stapel-Systeme, z.b. CP/M (= Control Program for Microcomputers). bis zu multitaskingfähigen Betriebssystemen, z.b. Unix & NT. B.4.1 Betriebssysteme für Mikroprozessoren: CP/M (8-Bit) für Intel MS-DOS (16-Bit) für Intel 80x86. Microsoft Windows (16/32-Bit) für 80x86. Unix (32-Bit) für Workstations (X-Window). MacOS: Einführung einer graphischen Benutzeroberfläche (MC68000). B-10

11 B.5 Netzzentrierte Systeme ab 1990 Umfassende lokale & globale Vernetzung: Breites Angebot von Diensten im Netz (Mail, Web, E-Commerce), Unterstützung von Audio- und Videoströmen. Netzwerkbetriebssysteme: Def.: Ein Netzwerk-BS beinhaltet Funktionen zur Kommunikation mit anderen Rechnern. Benutzer haben über das Netzwerk Zugang zu anderen Rechnern. Beispiele: Novell Netware, Mac OS, Windows NT/Vista, Unix. Grid Systeme: massiv paralleles System bestehend aus u.u. weit entfernten heterogenen Rechnern. Aspekte: Sicherheit, Administrierung & Benutzung, Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit, Zumeist lose gekoppeltes System mit Remote Job Entry -Funktion, Keine Gesamtsicht auf die Systemresourcen, Latenzzeiten ms, wenig interaktiv. Eingebettete verteilte Systeme: maßgeschneiderte kleine Betriebssysteme (AutoSAR im KFZ, TinyOS für Sensornetze). typischerweise mit Echtzeitanforderungen und energiesparendem Betrieb, mobile Kommunikation, Automatisierung. B-11

12 Verteilte Betriebssysteme: Def.: Ein verteiltes Betriebssystem stellt verteilte Betriebsmittel in einer für den Benutzer transparenten Art und Weise zur Verfügung, Einheitliche Verwaltungsebene und knotenübergreifende Nutzungsrechte, Typischerweise auf handelsüblicher Hardware (Intel, Power PC,...) Beispiele: Amoeba, Kerrighed, Plurix, Rainbow... Cluster Systeme: Programmierung mit Bibliotheksansatz (MPI, OpenMP, RPC...), engere Kopplung und Interaktion als bei Grid-Systemen, Hohe Verfügbarkeit durch Redundanz, Betriebssystem Unix, Linux, MacOS, Bündelung von Rechenleistung. Rechner im LAN vernetzt, geringe Latenz (~5 µsec). IBM Blue Gene (2007) => ~ 500 Teraflops B-12

13 B.5.1 Geschichte von Windows: IBM und Microsoft entwickeln ab 1988 zusammen OS/2. Kooperation scheitert endgültig 1991: Bill Gates beginnt mit Windows NT => Leiter: D. Cutler maßgeblich an VMS beteiligt, viele Gemeinsamkeiten zwischen VMS & NT. mehrjährige Entwicklung mit ca. 200 Programmierern Windows NT 3.1 (Ende 1993): 32-Bit System für Alpha, PowerPC, Intel MIPS. Unterstützung für alte 16-Bit DOS/Windows Programme. Windows 2000 (2000): USB, FAT32, PnP, Power-Management, nur noch x86 CPUs unterstützt. Windows XP (2001): führt 98/ME und NT/2000 zusammen, bessere Unterstützung für Spiele, XP = Experience. Windows Vista (32- und 64-Bit, 2007): Verbessertes Scheduling für Multicore-Systeme, öfter mal was neues. B-13

14 B.6 Arten von Betriebssystemen B.6.1 Mainframe (Großrechner) Betriebssysteme: früher in großen Rechenzentren, heute für Web-/E-commerce-Server, möglichst viele nebenläufige Prozesse effizient ausführen, große Ein- und Ausgabebandbreiten, z.b aktive Benutzer. unterschiedliche Betriebsarten: Stapelbetrieb, Timesharingbetrieb, Transaktionsbetrieb, Flugbuchungen, Beispielsystem IBM OS/390 (MVS Nachfolger), Zugang über einfaches Terminal. Pro: zentrale Administrierung. Contra: hoher Preis der Hardware Server Betriebssysteme: eine Leistungs-Ebene unterhalb der Mainframes, für Datei-, Mail-, Web-, Druckserver,. verteilen Hardware- und Software-Ressourcen. vgl. wenig interaktive Benutzer: ca bedienen viele Nutzer über ein Netzwerk. Beispiele: Unix, Linux, Windows Server 2000/2003. B-14

15 B.6.2 Arbeitsplatzbetriebssysteme Reine PC-Betriebssysteme: beschränken sich auf einen Benutzer. benutzerfreundliche Oberfläche. einfache Installation und Wartung. Unterstützung vieler Peripheriegeräte. Netzwerk-Betriebssysteme: verwaltet gemeinsame Ressourcen im Netz. Benutzer können sich an fremden Maschinen anmelden, um Dienste in Anspruch zu nehmen. Beispiel: Novell Netware, Windows XP/Vista, Linux Verteilte Betriebssysteme: Wo die Programme ausgeführt werden und wo die benötigten Daten liegen wird durch das BS bestimmt und ist dem Benutzer nicht bekannt, Benutzer hat den Eindruck einer einheitlichen Computerressource, Rechnerverbund bleibt Benutzer verborgen, Beispiele: Kerrighed, Plurix, Amoeba, Rainbow Ergänzend: Middleware für Grid- & Clustercomputing. B-15

16 B.6.3 Echtzeit-Betriebssysteme, ggf. schlanke Systeme: Verarbeitung innerhalb bestimmter, üblicherweise enger Zeitgrenzen. Je nach Toleranz bzgl. Überschreitung von Sollzeitpunkten wird zwischen harter und weicher Echtzeit unterschieden. Für Überwachungs-, Fertigungsanlagen, Beispielsysteme: VxWorks, QNX,... Betriebssysteme für eingebettete Systeme: optimiert bzgl. Programmgröße, verfügbarem Arbeitsspeicher und Stromverbrauch. Beispiele: OSEK, TinyOS, PalmOS, Windows CE, Symbian... typischerweise für Mikrocontroller oder PDAs. besitzen oft Echtzeiteigenschaften. Betriebssysteme für Chipkarten: oft nur einzelne Funktionen, wie beispielsweise elektronisches Bezahlen, realisiert. Java-orientierte SmartCards mit JVM im ROM-Speicher vorhanden. harte Einschränkung bei Speicher und Rechenleistung. SmartCards gewinnen laufend an Bedeutung. für Geldkarten, Krankenversicherung,... hohe Sicherheitsanforderungen. B-16

17 B.7 Aufgaben eines Betriebssystems B.7.1 Betriebsmittelzuteilung Betriebsmittel werden vom System zugeteilt: um Doppelbelegungen zu vermeiden, zwecks Rückgabe beim Programmabsturz. Resourcenzuteilung jeweils an ein "Objekt", z.b. an: Programm, Prozess, Thread, Instanz, User... Hauptspeicher wird benötigt für: Heap-Objekte, Codesegmente, Puffer für Dateien und Datenpakete, Prozeduraktivierungen auf dem Keller. Geräte / Devices: entweder nur exklusiv nutzbar oder gleichzeitig nutzbar (sharable), Plattenspeicher wird als Dateien vergeben. Bildschirmoberfläche ist kostbar Unterteilung in Fenster. Der Prozessor wird zwischen verschiededenen Threads umgeschaltet. B-17

18 B.7.2 Bedienerschnittstelle Anzeigen von Fehlersituationen. Dialogsteuerung für: Navigation im (Datei-)System => Anwenderprogramme. Systembedienung. Einheitliche Bedienung verschiedener Programme Look & Feel. B-18

19 B.7.3 Abstraktion von der Hardware Für den Anwendungsprogrammierer: Subset von Laufzeitroutinen ist allen Unix Systemen gemeinsam: create, open, close, read, write, malloc, fork, wait, waitpid, socket, bind, printf, scanf... Viele Grafikadapter unterstützen Grafikstandards: DirectX, OpenGL (QuickDraw). Java Programme laufen auf beinahe jedem Rechner, sofern eine Java Virtual Machine (JVM) vorhanden ist. Für den Systemprogrammierer: Wenn eine "Hardware Abstraktionsschicht" eingezogen wird, ist es leichter, ein OS auf eine neue Rechnerplattform zu bringen. Erhalten bleiben etwa: Formate im Dateisystem, Protokolle auf dem Netz, Algorithmen und Strategien... B-19

20 B.7.4 Verzeichnisdienste "Machines use addresses, people prefer names". Übersetzung zwischen Namen und Adressen. Adressen für: Hauptspeicher, Ethernet, Internet, Disksektoren, Namen für Objekte: Fenster und Dialogelemente, Prozesse, Ereignisse, Speicherabschnitte,... Dateiverzeichnisse: Dateinamen auf Diskadressen abbilden, Aliases, Shortcuts und Decknamen, geschachtelte Unterverzeichnisse. Registry in Windows: speichert Konfiguration, Schlüssel und Werte, hierarchische Datenbank; Auffinden von Namen im Netz: Namen für Benutzer & Dienste, Maschinennamen, Suchpfade für Klassen & Bibliotheksmodule, Navigation im Namensraum. B-20

21 B.7.5 Fehlerbehandlung & Zugriffsschutz "Post Mortem" müssen die Betriebsmittel eines Programms wieder freigegeben werden: Hauptspeicher, offene Dateien, Peripheriegeräte, Bildschirmfenster, Warteschlangenpositionen... Schutz vor: unabsichtlicher Beschädigung des System, böswilligen Einbruchsversuchen, Monopolisierung des Systems, Fehlern im Betriebssystem, Hardwaredefekten. Der Benutzer wünscht sich eine verständliche Fehlermeldung: keine allg. Schutzverletzung, kein blauer Bildschirm, kein Hex-Dump. B-21

22 B.7.6 Startup & Konfigurierung Automatische Erkennung von Hardware. Plug & Play vs. Plug & Work, für Geräte am PCI Bus, für ISA Geräte? Initialisierung: der Hardwarekomponenten, des Betriebssystemkernes, der Serverdienste. Konfigurierungsbedarf für: Netzwerkprotokolle, Bildschirmauflösung, Benutzerrechte, Festplatteneinteilung, BIOS-Einstellungen... Ausschalten des Systems: Dokumente sichern lassen, Dateipuffer auf Disk schreiben, Druckerwarteschlange schließen, Abmelden am Netz, Services beenden, Power down! Mobile Rechner: Schlafmodus einleiten. B-22