SS Abdellaoui, Adrian, Debusmann, Schäfer, Weber

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1 SS 2007 Version vom Organisation Leitung: Praktikum: H. Weber Abdellaoui, Adrian, Debusmann, Schäfer, Weber Vorlesung: Do, (3 Stunden V, inkl. Pause) Praktikumsgruppen : 3-stündig PL/SL : Klausur am Semesterende Praktikum: 2 bewertete (live) Aufgaben (je 40 %) und weitere 5 Aufgaben (je 2%), mündlicher Anteil (5%), Praktikumsordner (5%) Folie 2

2 Literatur I R. Brause, Betriebssysteme Grundlagen und Konzepte, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2001 A.S. Tanenbaum, Moderne Betriebssysteme, 2. Auflage, Pearson-Verlag 2002 C. Vogt, Betriebssysteme, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001 J. Nehmer, P. Sturm, Systemsoftware Grundlagen moderner Betriebssysteme, dpunkt- Verlag, Heidelberg 1998 A. Silberschatz, P. Gavin, G. Gagne, Applied Operating Systems Concepts, John Wiley&Sons, New York 2000 Folie 3 Literatur II W. Stallings, Operating Systems, Prentice Hall, New Jersey 1998 G. Nutt, Operating Systems, Addison-Wesley, Reading 2000 L. Bic, A. Shaw, Betriebssysteme, Hanser-Verlag, 1988 E. Glatz, Betriebssysteme Grundlagen, Konzepte, Systemprogrammierung, dpunkt-verlag, 2005 R.A. Finkel, An Operating Systems Vade Mecum, Prentice Hall bei uns als PDF-File vorhanden H. Weber, Praktische Systemprogrammierung, Vieweg, Wiesbaden 1998 Folie 4

3 Inhalt der Vorlesung Übersicht Prozesse Prozeßsynchronisation Speicherverwaltung Dateiverwaltung Ein- und Ausgabeverwaltung Verteilte Systeme Folie 5 Kap. 1 Übersicht

4 Kap. 1 - Inhalt Einleitung: Was ist ein Betriebssystem Betriebssystemschichten Schnittstellen und virtuelle Maschinen Geschichte Aufbau von Betriebssystemen Rechnerarchitekturen Wichtige Konzepte Folie 7 Betriebssystem-Zoo Folie 8

5 Einleitung I Was ist ein Betriebssystem? * die Gesamtheit der Programmteile, die die Benutzung von Betriebsmitteln steuern und verwalten * die Software (Programmteile), die für den Betrieb eines Rechners anwendungsunabhängig notwendig ist * virtuelle Maschine, die dem Benutzer Abstraktionen der Hardware zur Verfügung stellt, die wesentlich einfacher zu benutzen sind Folie 9 Einleitung II Definition (Betriebssystem): Ein Betriebssystem ist ein Programmsystem, das alle Betriebsmittel eines Rechensystems verwaltet und ihre Zuteilung kontrolliert und den Nutzern des Rechensystems eine virtuelle Maschine offeriert, die einfacher zu verstehen und zu programmieren ist als die unterlagerte Hardware. Folie 10

6 Betriebssystemschichten I Benutzer benutzt Benutzerprogramm benutzt Betriebssystem benutzt Maschinenhardware Folie 11 Betriebssystemschichten II Schichtenmodell User 1 User 2 User 3 Compiler Editor... Spiele Betriebssystemdienste Hardware Zwiebelschalenmodell HW Folie 12

7 Betriebssystemschichten III Systemsoftware versus Anwendersoftware Das Betriebssystem ist der Teil der Software, die normalerweise im Kernmodus oder Supervisormodus ausgeführt wird Die Anwendungsprogramme (Compiler, Editor, -Programm etc.) werden im Benutzermodus ausgeführt Folie 13 Schnittstellen & virt. Maschinen I SCSI-Operationen fur Festplatten: FORMAT UNIT RECOVER DATA VERIFY INQUIRY RECOVER ID WRITE MODE SELECT RELEASE UNIT WRITE AND VERIFY MODE SENSE REQUEST SENSE WRITE BUFFER NO OPERATION RESERVE UNIT WRITE EXTENDED PRIORITY RESERVE REZERO UNIT WRITE LONG READ SEEK WRITE SAME READ BUFFER SEEK EXTENDED... READ CAPACITY SEND DIAGNOSTIC READ DEFECT DATA SET LIMITS READ EXTENDED START/STOP UNIT READ LONG TEST UNIT READY REASSIGN BLOCKS RECEIVE DIAGN. RESULTS Wer will schon mit dieser Schnittstelle Informationen langfristig speichern und zugreifen wollen?!? Folie 14

8 Schnittstellen & virt. Maschinen II Eine Schnittstelle besteht aus Daten sowie Funktionen bzw. Methoden dafür (Objekte) Protokolle für die Benutzung der Funktionen und Daten, mit denen das Objekt Dienstleistungen erbringt (Exportschnittstelle) Die Implementierung benötigt dazu Daten, Funktionen und Protokolle für die Dienstleistungen, die sie zur Erfüllung benötigt (Importschnittstelle). Virtuelle Maschinen Folie 15 Schnittstellen & virt. Maschinen III Schicht 3 Zeit Schicht 2 Schicht 1 Folie 16

9 Schnittstellen & virt. Maschinen IV Virt. CPU Software-Hardware-Migration durch virtuelle CPU Programm in Java-Code Java-Code / Maschinencode CPU- Hardware Programm in Java-Code Microcodeund CPU-Hardware Folie 17 Schnittstellen & virtuelle Maschinen V - virtuelle logische, physikalische Geräte Beispiel: Festplattenspeicher virtuelles Gerät = logisches Gerät +Verwaltungstreiber logisches Gerät = physikalisches Gerät + HW-Treiber. Kontrolle Treiber für log. Geräte Daten log. Gerät 1 log. Gerät 2 Treiber 1 phys. Gerät 1 Virtuelles Gerät Treiber 2 phys. Gerät 2 Folie 18

10 Geschichte I Gliederung (parallel zu Rechnergenerationen): 1. Generation ( ): Röhren und Steckkarten 2. Generation ( ): Transistoren und Stapelverarbeitung 3. Generation ( ): ICs und Mehrprogrammbetrieb 4. Generation ( ): Personal Computer und Netzwerkbetriebssysteme 5. Heute Folie 19 Geschichte II 1. Generation ( ): USA: H. Aiken (Harvard), J. v. Neumann (Princeton) u.a. Deutschland: Konrad Zuse Eine Gruppe von Personen kümmert sich um Entwurf, Bau, Programmierung, Operating und Wartung jedes einzelnen Rechners. Programmierung durch Verdrahtung von Steckkarten oder in absoluter Maschinensprache (Programmiersprachen unbekannt). Nutzung fur numerische Berechnungen. Ab Anfang der 50er Jahre Benutzung von Lochkarten. Betriebssysteme unbekannt. Folie 20

11 Geschichte III 2. Generation ( ): Nach Einfuhrung von Transistoren werden Rechner zuverlässig genug, um an Kunden verkauft zu werden. Unterscheidung zwischen Entwicklern, Herstellern, Operateuren, Programmierern und Wartungspersonal. Zunächst Ausfuhrung einzelner Jobs in Form von Lochkartenstapeln mit hohem Anteil manueller Arbeiten. Rationalisierung des Operating durch Einfuhrung des Stapelbetriebs (Batch-System): Folie 21 - Geschichte IV Batch-System bringt Kartenstapel zur 1401 kopiert Karten auf Band bringt Eingabeband auf 7094, die Berechnung ausführt bringt Ausgabeband zur 1401, die den Output ausdruckt Folie 22

12 Geschichte V Die Steuerkarten waren Vorläufer der heutigen Kommandosprachen, die Monitore Vorläufer der heutigen Betriebssysteme Folie 23 Geschichte VI 3. Generation ( ): ICs und Multiprogramming Timesharing-Betrieb Zugriff über Terminals Multics UNIX Folie 24

13 Geschichte VII 4. Generation ( ): Personal Computer als Individuen zugeordnete Werkzeuge (= Workstation). Netzwerke zur Kommunikation und Kooperation. getrieben durch LSI und VLSI- Entwicklung, preiswert, aber leistungsstark wie Minirechner bzw. Großrechner. hohe Graphikfähigkeit führt zu benutzerfreundlichen Oberflächen Marktdominierende Betriebssysteme: MS- DOS und UNIX. Netzwerkbetriebssysteme erlauben Zugang zu anderen Rechnern, Dateitransfer, gemeinsame Benutzung von Informationen (z. B. TCP/ IP Netzwerk Utilities, Novell Netware, Network File System) Folie 25 Geschichte VIII 5. Heute: Neue Anwendungen gekennzeichnet durch: steigende Komplexität und neue geforderte Funktionalitäten: Verteiltheit (Client/ Server), Offenheit, Heterogenität, Skalierbarkeit "Cooperative Computing" Sicherheit (Security) Realzeitfähigkeit Fehlertoleranz / Robustheit Multimedia WWW- Anbindung Folie 26

14 Geschichte IX Aktuelle Entwicklungsrichtungen: Verteilte Betriebssysteme Multiprozessing Standardisierung von Schnittstellen Mehrere BS-Schnittstellen auf einem Rechner Konfigurierbarkeit Realzeitfähigkeit Administration grosser Netzwerke Multimediaunterstützung Erhöhung der Sicherheit Folie 27 Geschichte X - Fragen Gestern: Welche Betriebssysteme haben Sie benutzt?... Heute: Welche Betriebssysteme benutzen Sie?... Welche Systeme sind nützlich für diese LV? Folie 28

15 Aufbau I - Unterschiedliche Arten von BSn Mainframe-Betriebssysteme Server-Betriebssysteme Multiprozessor-Betriebssysteme PC Betriebssysteme Echtzeit-Betriebssysteme Betriebssysteme für eingebettete Systeme Betriebssysteme für Chipkarten Folie 29 Aufbau II - Betriebssystemgliederung Benutzerschnittstelle textuelle und graphische Interaktion mit dem Benutzer Dienstprogramme, Werkzeuge oft benutzte Programme wie Editor, Linker,... Übersetzungsprogramme Interpreter, Compiler, Translator,.. Organisationsprogramme Speicher-, Prozessor-, Geräte-, Netzverwaltung Folie 30

16 Aufbau III - Benutzerschnittstelle Ein Blick auf die Benutzerschnittstelle: 1. Benutzeroberfläche (Kommandointerpreter, Grafische Oberflächen) einschließlich der Schnittstellen zu Dienstprogrammen (Tools) wie etwas Editoren, Übersetzer (Compiler), Binder (Linker), Bibliotheksschnittstellen (Standardbibliotheken und spezielle Bibliotheken), zur Programmierung benutzt. 3. Betriebssystemdienst-Schnittstelle enthält Systemaufrufe (system calls), d.h. erweiterte Befehle = Operationen zum Umgang mit den Abstraktionen, die der Kern offeriert. Wesentliche Kernabstraktionen: Prozesse (processes) = Programme in Ausführung, damit verbunden Mechanismen zur Prozess-Synchronisation und Kommunikation Dateien (files), damit verbunden Dateisysteme (file systems) und Verzeichnisse (directories) IO-Geräte (devices) Folie 31 Aufbau IV - Typischer Betriebssystemaufbau Benutzer 1 Benutzer N Benutzeroberfläche User Interface Management System Anwendung 1 Dienstprogramm Werkzeug Betriebssystemkern Operating System Kernel Hardware Systemaufruf Maschinencode Folie 32

17 Aufbau V - Der Betriebssystemkern Aufruf mittels Traps (Falltüren) Eingang Ausgang Folie 33 Aufbau VI - Systemaufrufe: Traps und Interrupts Synchrone, indirekte Methodenaufrufe (Traps)... Move A,R1 Tabelle von Interruptvektoren Trap 7 Adr 0017 Status PS der ISR 8 Move R1, A... Adr 0016 Adresse PC der ISR 8 Asynchrones HW- Interrupt-Signal 7 Adr 0015 Status PS der ISR 7 Adr 0014 Adresse PC der ISR 7 Adr 0013 Adr 0012 Status PS der ISR 6 Adresse PC der ISR 6 ISR = Interrupt Service Routines = Treiber PS = Processor Status Word (prio, mode,..) Folie 34

18 Aufbau VII - Aufruf des Betriebssystemkerns return from interrupt stack {PC, PS=user mode} BS : Bootstrap Umschaltung vom Usermodus in Kernmodus und zurück!! Folie 35 Aufbau VIII - UNIX-Betriebssystemkern user mode kernel mode Multi-User Benutzer- Shell 1 Programminstruktionen Programminstruktionen Interrupt {PC+1, PS=user mode} stack BS PC, kernel mode PS Betriebssystemkerndienste Benutzer- Programm 1 Benutzer- Shell 2 System- Programm 1 Überprüfbare Schnittstelle und Funktionsverteilung Speicherverwaltung Prozess- Serielle Ein/Ausgabe Dateisystem Display Floppy Netz manage- Platte TTY Drucker Maus ment Multi- programming System- Programm 2 Hardware Implementierungsunabhängige Schnittstellen: Portable Operating System Interface based on UniX Folie 36

19 Aufbau IX - UNIX Systemsoftware I Systemprogramme ar build & maintain archives cat concatenate files standard out cc compile C program chmod change protection mode cp copy file echo print argument grep file search including a pattern kill send a signal to a process Folie 37 Aufbau X - UNIX Systemsoftware II ln lp ls mv sh tee wc link a file print a file list files and directories move a file start a user shell copy standard in to standard out and to a file word count Folie 38

20 Aufbau XI Monolitisches System Folie 39 Aufbau XII Geschichtetes System Struktur des THE Betriebssystems Folie 40

21 Aufbau XIII Virtuelle Maschinen Struktur von VM/370 mit CMS Folie 41 Aufbau XIV Client-Server Modell Folie 42

22 Aufbau XV Client-Server Modell in einem verteilten System Folie 43 Aufbau XVI Bsp.: MACH- Betriebssystemkern Mach-Kern Benutzerprogramm File Manager Speicher Manager Terminal I/O user mode kernel mode Scheduler, Nachrichtenübermittlung, Basic I/O, Speicherobjekte Hardware Mikrokern Vorteile: minimaler Kern, alle Funktionen modularisiert austauschbar Nachteile: Kommunikationsdauer zwischen Managern Folie 44

23 Aufbau XVII Bsp.: Windows NT - Anforderungen kompatibel zu vorhandenen Systemen Unix, DOS,.. zuverlässig und robust leichte Portierbarkeit leicht veränderbar und anpassungsfähig leistungsstark Geht das überhaupt? Folie 45 Aufbau XVIII Bsp.: Windows NT - Lösungen Kompatibilität pro emuliertes BS ein extra Subsystem (Server), von Kunden (Clients) durch Nachrichten (local procedure calls LPC) angefordert. Sie setzen auf Dienstleistungen der NT Executive (Syscalls) auf. Robustheit Trennung der Programmablaufumgebungen (virt. Maschinen), kein direkter Hardwarezugriff fehlertolerantes Dateisystem, Netzdienste, Portierbarkeit In C geschriebene Module, auf Hardwaremodell aufsetzend Folie 46

24 Aufbau XIX Bsp.: Windows NT - Betriebssystemkern Logon Security Subsystem Win/DOS Client Win32 Subsystem POSIX Subsystem POSIX Client OS/2 Subsystem OS/2 Client user mode kernel mode Object Manager Process Manager Systemdienste Local Memory Proc. Calls Manager Kernel Hardware Abstraction Layer HAL Hardware Security Monitor I/O System Folie 47 Rechnerarchitekturen I Einprozessorsystem BS- Kern Nutzer 1 Programm... Nutzer n Programm Massenspeicher Programme Daten Prozessor Hauptspeicher Bis max. N (~ 16) CPUs erweiterbar. Problem: Speicherzugriff (Systembus) Folie 48

25 Rechnerarchitekturen II Multiprozessorsystem P 1 P2 P n Verbindungsnetzwerk Tanzsaal BS- Kern Nutzer 1 Programm Arbeitsspeicher... Nutzer n Programm Problem: Performance-Einbussen bei häufigen Speicherzugriffen Folie 49 Rechnerarchitekturen III Mehrrechnersystem BS- Kern Nutzer 1 Programm BS- Kern Nutzer n Programm Arbeitsspeicher P 1 P n Verbindungsnetzwerk Vorzimmer Folie 50

26 Rechnerarchitektur IV Rechnernetz BS- Kern Nutzer 1 Programm BS- Kern Nutzer n Programm P 1 P n Verbindungsnetzwerk LAN, WAN Folie 51 Wichtige Konzepte I Prozesse Dateien Systemaufrufe Shells Folie 52

27 Konzepte II - Prozesse Prozeß : Programm in seiner Ausführung Prozess-Baum A hat zwei Kind-Prozesse B and C erzeugt B hat drei Kind-Prozesse D, E, und F erzeugt Folie 53 Konzepte III - Dateissytem Folie 54

28 Konzepte IV Mounten von Dateisystemen Vor dem Mounten, Files auf Floppy sind nicht benutzbar Nach dem Mounten der Floppy auf b, Files auf Floppy sind Teil der Filehierarchie Folie 55 Konzepte V - Systemaufrufe Es gibt 11 Schritte beim Ausführen des Systemaufrufs read (fd, buffer, nbytes) Folie 56

29 Konzepte VII Systemcalls für File Management Folie 57 Konzepte VII Directory Management Folie 58

30 Konzepte IX - Verschiedene Folie 59 Konzepte X UNIX/Windows32 - Systemaufrufe Folie 60

31 Konzepte XI Eine kleine Shell while (TRUE) { /* repeat forever */ type_prompt( ); /* display prompt */ read_command (command, parameters) /* input from terminal */ if (fork()!= 0) { /* fork off child process */ /* Parent code */ waitpid( -1, &status, 0); /* wait for child to exit */ } else { /* Child code */ execve (command, parameters, 0); /* execute command */ } } Folie 61