Systemsoftware (SYS) Einführung

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1 Systemsoftware (SYS) 1 Einführung

2 Geschichte der Betriebssysteme Erste Generation Röhren, Steckkarten, kein Betriebssystem Zweite Generation (Mainframes) Klimatisierte Räume Operateure und Wartungspersonal Transistoren, Lochkarten, Jobs (FORTRAN) Stapelverarbeitungssystem (batch system) Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 2

3 Geschichte der Betriebssysteme Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 3

4 Geschichte der Betriebssysteme FMS: Fortran Monitor Job Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 4

5 Geschichte der Betriebssysteme Dritte Generation ICs OS/360 Multiprogramming Bsp: IBM M3090 Entstehung von UNIX Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 5

6 Geschichte der Betriebssysteme Vierte Generation 1980 present Personal Computer (PC) Betriebssysteme: CP/M (Control Program for Microcomputers) DOS (Disk Operating System) => MS-DOS Graphical User Interfaces (GUI) Xerox Apple Macintosh Windows X-Windows Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 6

7 Graphische Bediensysteme Schnittstelle des Betriebssystems zu Benutzer Anforderung von Diensten via Maus oder Tastatur Einfachste Version: Kommandozeile Fensterorientierte Benutzeroberfläche Entwickelt in den 70ern von Xerox Durchbruch 1984 mit Macintosh-Rechnern Microsoft/IBM: OS/2 Microsoft: Windows 3.1 Windows 95 Windows 98 Windows ME Windows NT Windows 2000 Windows XP Für UNIX (Linux, SunOs, BSD): CDE, KDE Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 7

8 Arten von Betriebssystemen Mainframe-Betriebssysteme OS/390 Server-Betriebssysteme UNIX, Windows 2000 Multiprozessor-Betriebssysteme Spezielle Betriebssysteme, angepaßt für das System PC-Betriebssysteme Windows XP, Linux Echtzeitbetriebssysteme QNX, VxWorks Betriebssysteme für eingebettete Systeme (PDA) PalmOS, Windows CE (Consumer Electronics) Betriebssysteme für Chipkarten Proprietäre Lösungen, Java Virtual Machine (JVM) Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 8

9 Entwicklung von UNIX Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 9

10 Prozesse Betriebssystemkonzepte Speicherverwaltung Dateiverwaltung Die Shell Systemaufrufe Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 10

11 Prozesse Prozess ist Schlüsselkonzept aller Betriebssystem Ein Prozess ist ein Programm in Ausführung Jedem Prozess wird Adressraum zugeordnet Liste von Speicherzellen mit min. und max. Wert Adressraum beinhalten: Ausführbares Programm Programmdaten Stack Programmzähler, Stapelzeiger, andere Register Betriebssystem entscheidet wann Prozess unterbrochen, bzw. weitergeführt wird Aktuelle Daten bei Prozessunterbrechnung müssen gespeichert werden => Prozesstabelleneintrag Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 11

12 Prozessimplementierung (Beispiel) Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 12

13 Prozesse Beispiel: Prozess Shell (Kommandointerpreter) Nach Benutzereingabe eines Kommandos wird von Shell ein Kindprozess erzeugt (z. B. Programmcompilierung) Kindprozess kann weitere Kindprozesse erzeugen Kindprozess kann sich selbst durch Aufruf eines Systemaufrufs beenden D B E A F C Prozesshierarchie mit Interprozesskommunikation Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 14

14 Prozesse Weitere Systemaufrufe stehen zur Verfügung Anforderung von Speicher Freigeben von Speicher Warten auf Terminierung eines Kindprozesses Ersetzen des Programms durch ein anderes Signal: Betriebssystem sendet Signale an Prozesse, z. B. um Prozess zu unterbrechen Analogon zu Hardware-Interrupt UID: User ID Jeder Prozess erhält die UID des Benutzers, der ihn gestartet hat Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 15

15 Deadlocks (Verklemmungen) Prozesse können in Situationen kommen, aus denen sie nicht mehr herauskommen. Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 16

16 Prozesse Betriebssystemkonzepte Speicherverwaltung Dateiverwaltung Die Shell Systemaufrufe Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 17

17 Speicherverwaltung Hauptspeicher: speichern ausführbarer Programme In einfachem Betriebssystem: jeweils nur ein Programm darf in den Hauptspeicher geladen sein Intelligentere Betriebssysteme: mehrere Programme gleichzeitig im Hauptspeicher Um gegenseitige Störungen zu Vermeiden: => Schutzmechanismen Realisiert in Hardware Verwaltet von Betriebssystem Braucht ein Prozess mehr Speicher als Hauptspeicher zur Verfügung: => Virtueller Speicher: Teile der Festplatte werden mitgenutzt. Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 18

18 Virtueller Speicher Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 19

19 Adressierung beim virtuellen Speicher Prozessor Virtuelle Adresse Hauptspeicher Speicher- Verwaltungseinheit Reale Adresse IOOIIOI IOOIOIO OOIIOIO OOOIIIO IOOIIOI IOOIOIO OOIIOIO OOOIIIO Festplattenadresse Sekundärspeicher Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 20

20 Prozesse Betriebssystemkonzepte Speicherverwaltung Dateiverwaltung Die Shell Systemaufrufe Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 21

21 Dateisystem Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 22

22 Gemountete Dateisysteme (UNIX) Wurzel Disk a b x y c d Nach dem mout-befehl kann auf x und y über den Pfad /b/x bzw /b/y zugegriffen werden. Kein Zugriff auf Dateisystem auf Diskette nicht möglich Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 23

23 Verwaltung des Dateisystems Dateiverwaltung Klares abstraktes Modell geräteunabhängiger Dateien Systemaufrufe um Dateien zu erzeugen Dateien zu öffnen und zu lesen Dateien zu schreiben und zu schließen Dateien zu löschen Konzept der Verzeichnisse um Dateisystem zu strukturieren und Dateien zu Gruppen zusammenzufassen Datei kann benannt werden durch Pfadname und Dateiname Pfadname beginn an der Spitze der Verzeichnishierarchie dem Wurzelverzeichnis Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 24

24 Spezialdateien (Special Files) Ein-/Ausgabegeräte sehen wie Dateien aus Können mit den selben Systemaufrufen gelesen und beschrieben werden, wie Dateien Man unterscheidet: Blockorientierte Spezialdateien (block special file) Geräte, die aus Menge frei adressierbarer Blöcke bestehen, Bsp: Platte Zeichenorientierte Spezialdateien (character special file) Geräte die zeichenorientiert arbeiten, Bsp: Modems, Drucker Dateien liegen standardmäßig im Verzeichnis /dev /dev/lp : Drucker Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 25

25 Pipes Unidirektionaler Kanal um 2 Prozesse miteinander zu verbinden Senden von Daten von Prozess A an B, durch schreiben in Pipe. Pipe entspricht hier Ausgabedatei Empfangen von Daten von A: B ließt aus Pipe Pipe entspricht hier Eingabedatei Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 26

26 Prozesse Betriebssystemkonzepte Speicherverwaltung Dateiverwaltung Die Shell Systemaufrufe Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 27

27 Die Shell Kommandozeileninterpreter Wichtigste Schnittstelle zwischen Betriebssystem und Benutzer Typische Shells: bash, sh, csh, tcsh, ksh Shell startet, sobald sich der Benutzer am System anmeldet Terminal als Standardeingabe und Standardausgabe Shell beginnt mit der Ausgabe eines Prompt-Zeichens (z. B. $) und zeigt damit Benutzer, dass sie auf Eingabe wartet Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 28

28 Die Shell - Beispiele Start des Kindprozesses date $ date Sam Okt 2 21:37:41 CEST 2004 $ $ $ date>file $ $ sort < file1 > file2 $ $ cat file1 file2 sort > /dev/lpt $ $ cat file1 file2 sort > /dev/lpt & Shell wartet auf Terminierung Datum wird ausgegeben Shell bereit für Benutzereingabe Ausgabe umleiten in Datei Inhalt file1 sortieren und in file2 ausgeben File2 an file1 anhängen, sortieren und auf Drucker ausgeben Batch-Job Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 29

29 Betriebssystemkonzepte (Bsp. UNIX) Prozesse Speicherverwaltung Dateiverwaltung Die Shell Systemaufrufe Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 30

30 UNIX-Systemaufrufe(1) Systemaufrufe definieren die Schnittstelle zwischen Betriebssystem und Benutzerprogrammen Hier am Beispiel von UNIX (System V, BSD, Linux, ) Auch andere Betriebssysteme bieten ähnliche Schnittstellen Prozess sendet Systemaufruf an Betriebssystem Betriebssystem untersucht Parameter Systemaufruf wird ausgeführt Kontrolle wird an Benutzerprogramm zurückgegeben Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 31

31 UNIX-Systemaufrufe (2) Bsp: Befehl read zum Lesen von Dateien count = read(fd, buffer, nbytes); fd: filedescriptor buffer: Zeiger auf Zieldatenbereich nbytes: Anzahl zu lesender Bytes count: =-1bei Fehler, Fehlernummer in globaler Variablen errno 0 count nbytes, sonst. Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 32

32 Systemauf read Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 33

33 Überblick über die wichtigsten Systemaufrufe Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 35

34 Architekturen von Betriebssystemen 1. Monolithische Systeme 2. Geschichtete Systeme 3. Virtuelle Maschinen 4. Client-Server-Modell Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 36

35 Architekturen von Betriebssystemen 1. Monolithische Systeme 2. Geschichtete Systeme 3. Virtuelle Maschinen 4. Client-Server-Modell Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 37

36 Monolitische Systeme Die große Masse Weitgehend keine Struktur Menge von Prozeduren, die sich gegenseitig aufrufen können Jede Prozedur hat wohldefinierte Schnittstelle Parameter Ereignisse Jede Funktion darf jede andere aufrufen Erzeugung des Betriebssystems: Alle einzelnen Prozeduren werden übersetzt Linker bindet alles zu ausführbarem Programm Bsp: UNIX, DOS Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 38

37 Einfaches Strukturmodell für monolithische Systeme Für jeden Systemaufruf existiert eine Servicefunktion Hauptfunktion ruft Servicefunktion auf Hilfsfunktionen stellen Mechanismen bereit, die von Servicefunktionen genutzt werden können Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 39

38 Strukturen der Betriebssysteme 1. Monolithische Systeme 2. Geschichtete Systeme 3. Virtuelle Maschinen 4. Client-Server-Modell Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 40

39 Geschichtete Systeme Hierarchie von Schichten Jede Baut auf die darunter liegende auf Erstes System dieser Art: THE von Dijkstra et Al an der Technischen Hogeschool Eindhoven Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 41

40 Schalenmodell Prozess & Zeit- Verwaltung Speicherverwaltung gesch. Datenstrukt. E-/A- System Systemdienste Kernel Record Managm. System Executive Kommandospracheninterpr. Supervisor User Verallgemeinerung des Schichtenmodells Neben Strukturierung auch Realisierung von Schutzhierarchie Prozesse aus den äußeren Ringen dürfen nicht auf Speicherbereiche der inneren Ringe zugreifen VMS - Schalenmodell Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 42

41 Strukturen der Betriebssysteme 1. Monolithische Systeme 2. Geschichtete Systeme 3. Virtuelle Maschinen 4. Client-Server-Modell Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 44

42 Virtuelle Maschinen Bsp.: VM/370 von IBM, Virtual PC, VMware Herzstück: Monitor der virtuellen Maschine (Virtual Machine Monitor) Setzt direkt auf Hardware auf Stellt Mehrprogrammbetrieb zur Verfügung Es werden exakte Kopien der nackten Hardware als virtuelle Maschinen erzeugt Auf jeder virtuellen Maschine kann ein eigenes Betriebssystem arbeiten VM 1 VM 2 VM n-1 VM n Virtual Machine Monitor (CP) Hardware Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 45

43 Strukturen der Betriebssysteme 1. Monolithische Systeme 2. Geschichtete Systeme 3. Virtuelle Maschinen 4. Client-Server-Modell Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 48

44 Client-Server Modell Verlagerung von Code in höhere Schichten Übrig bleibt ein minimaler Mikrokern (Microkernel) Größter Teil der Funktionen des Betriebssystems verlagert in Benutzerprogrammen. Um Dienst anzufordern Benutzerprozess (Client-Prozess) sendet Anforderung an einen Server-Prozess, der die Arbeit durchführt und Antwort zurücksendet Kern führt nur Kommunikation zw. Client und Server durch Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 49

45 Windows 2000 Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 50

46 Architektur von Windows 2000 Entwicklungsgeschichte: Windows NT Windows 2000 Windows XP Einzelbenutzer-Multitasking Mehrbenutzerunterstützung Modularer Aufbau -> hohes Maß an Flexibilität Geschaffen für viele unterschiedliche Hardwareplattformen Trennung von Anwendungsorientierter Software Benutzermodus Nur begrenzten Zugriff auf Systemdaten Betriebssystemsoftware Läuft im Kernel-Modus Hat Zugriff auf Systemdaten und Hardware Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 51

47 Architektur von Windows 2000 Modifizierte Mikrokernel-Architektur Stark modular aufgebaut Jede Systemfunktion wird von nur einer Komponente des Betriebssystems verwaltet Jedes Modul kann im Prinzip entfernt oder ausgetauscht werden Unterschied zu reiner Mikrokernel-Struktur: Viele Systemfunktionen außerhalb des Mikrokernels laufen im Kernel-Modus => bessere Performance als beim ständigen Umschalten zw. Kernel- und Benutzermodus Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 52

48 Windows 2000 Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 53

49 Betriebssystemaufbau von W2K Hardware-Abstraction-Layer (HAL) Stellt Zuordnung zw. Allgemeinen Hardware-Befehlen und Antworten und spezifischer Plattform dar. Systembus, DMA, Interrupt-Handler, Systemtimer, Speichermodul jedes Rechners sieht für Kernel immer gleich aus. Mikrokernel Enthält die am häufigsten verwendeten und einfachsten Komponenten des Betriebssystems Verwaltet Scheduling von Thread, Prozessumschaltung, Ausnahme- und Interruptbehandlung, Synchronisation von Prozessen Gerätetreiber Enthält Dateisystem und Hardwaregerätetreiber, die E/A-Funktionsaufrufe des Benutzers in hardwarespezifische Befehle umsetzen Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 54

50 Windows 2000 Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 55

51 W2K-Executive (1) Beinhaltet Module für spezifische Systemfunktionen E/A-Manager: Einheitlicher Rahmen um auf E/A-Geräte zuzugreifen Weiterleitung zu den passenden Gerätetreibern Objektmanager: (Objektverwaltung/Executive-RTL) Erstellt und verwaltet Objekte und abstrakte Datentypen der Windows-Executive LPC-Facility (Local Procedure Call) Unterstützt Client-Server-Beziehungen zw. Andwndungen und Subsystemen der Windows-Executive Cache-Manager Schreibt zuletzt vewendete Plattendaten in Hauptspeicher für schnelleren Zugriff Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 56

52 W2K-Executive (2) Prozess/Thread-Manager Erstellt, löscht, verwaltet Prozess- und Thread-Objekte Sicherheitskontrollmonitor Durchsetzung von Regeln für Zugriffsprüfung Virtual Memory Manager (VMM) Verwaltet virtuelle Adressen Fenstermanager Verwaltet Grafikgeräte Verwaltet die fensterorientierte Bildschirmschnittstelle Stellt API (Application Program Interfaces = Anwendungsprogrammschnittstellen) zur Verfügung Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 57

53 Windows 2000 Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 58

54 Benutzerprozesse Spezielle Systemunterstützungsprozesse Systemdienste, die nicht Teil des engeren W2K- Betriebssystems sind Serverprozesse Weitere W2K-Dienste Benutzeranwendungen Umgebungssubsysteme Zur Weitergabe der W2K-Dienste an Benutzeranwendungen Erzeugung spezieller Betriebssystemumgebungen Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 59

55 UNIX-Systeme Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 60

56 UNIX-Systeme Prof. Dr. M. Föller, FB I, Fachhochschule Mannheim Hochschule für Technik und Gestaltung 61

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