Schichtenmodell eines Betriebssystems

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1 FB Technologie und Management SISD Operanden VonNeumannRechner Rechenwerk Ergebnisse Datenverarbeitung (DV 1) (Kapitel 6 Betriebssysteme) Steuerwerk Speicherwerk Befehle Eingabe Speicher Ausgabe 1 2 Layer eines Betriebssystems Anwendersoftware Compiler Editoren Shells GUI Betriebssystem Maschinensprache Mikroprogramm Physikalische Geräte Systemprogramme Hardware spezifisch Schichtenmodell eines Betriebssystems Anwendung API KommandoInterpreter Taskverwaltung Betriebsmittelverwaltung Speicher und Ein/Ausgabe Verwaltung Ein/Ausgabesteuerung Gerätetreiber Realer Prozessor M 6 M 5 M 4 M 3 M 2 M 1 M 0 Betriebssystemkern 3 4

2 Architektur von UNIX Betriebssysstem Anwendungen/Shells/UNIXWerkzeuge Schnittstelle für Systemaufrufe Prozessverwaltung (Scheduler, Memory Management, IPC) Hardwaresteuerung (Behandlung der Interrupts und Kommunikation mit der Hardware) Hardware Bibliotheken Dateisystem Driver UserModus KernelModus Standard Betriebssystem Taskverwaltung Betriebsmittelverwaltung Interprozesskommunikation Synchronisation Schutzmassnahmen Echtzeit Betriebssystem (zusätzlich:) Wahrung der Rechtzeitigkeit und Gleichzeitigkeit Wahrung der Verfügbarkeit 5 6 Aufgabe des Betriebssystems Kennzeichen von Betriebssystemen Prozessorzeit Arbeitsspeicher Festplatten Disketten Bildschirm Drucker Peripherie Resourcen verwalten Ein/Ausgabe koordinieren Aufgabe Betriebssystem v5 Dialog mit Benutzer Anwenderprogramme Benutzerschnittstelle Dienstprogramme Kernel des Betriebssystems Fehlerbehandlung Graphisch Shell starten Benutzerverwaltung Datenträger formatieren... beenden unterbrechen fortsetzen MSWindows OSMotif KDE SUNOS Mac Graphische Benutzeroberfläche Plug & Play Multitasking Multithreading Mehrbenutzerfähig Multi Netzwerkfähigkeit Kennzeichen von Betriebssystemen v4?? Bit Betriebssystem Verwaltung Größe Arbeitsspeicher Festplatte Sicherheits aspakte Echzeitfähigkeit 7 8

3 Auswahl einiger Betriebssysteme Produkt Hersteller Eine Auswahl industrieller Echtzeitbetriebssysteme QNX QNX Software Systems Ltd. POSIX.4 Posix RTLinux GPL (GNU Public License) VxWorks Wind River OS9 Microware CMX CMX Systems Windows CE Microsoft Typ DS, EBS Standard für EBS, BA BA EBS EBS MEBS EBS Zielsystem IA32 IA32, IA64, Power PC IA32, Power PC, ARM IA32, Power PC, 680XX, div. Mikrocontroller IA32, Power PC, 680XX Diverse Mikrocontroller IA32, Power PC, MIPS, ARM Sprachen C, C++ C, C++, Java, Ada C, C++, Java C, C++, Java C, C++, Java C C, C++, Java Dateisystem Unix, Windows Unix Unix, Windows Unix, Windows Windows Windows GUI XWin XWin XWin XWin XWin Windows Netzwerk TCP/IP TCP/IP, UDP TCP/IP, UDP TCP/IP TCP/IP TCP/IP Feldbus CAN, ProfiBus CAN, ProfiBus, Interbus S Scheduling FIFO,, Benutzerdefiniert 9 10 Nebenläufige Prozesse Zustandsübergänge 5 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 Parallele Verarbeitung Sequentielle Verarbeitung Überlappende Verarbeitung 1 bereit (ablaufwillig) Start rechnend wartend (blockiert) 4 6 Ende 11 12

4 blockiert laufend Wesentliche Zeitparameter einer Echtzeittask j e l Task bzw. Prozessverwaltung Innerhalb des Betriebssystems werden Tasks bzw. Prozesse in einer Taskliste verwaltet. Diese Liste enthält für jede Task einen sogenannten Taskkontrollblock (Prozessleitblock; process control block PCB), der alle Informationen über den aktuellen Zustand der Task enthält; diese Information bezeichnet man als Taskkontext. ablaufwillig ruhend a r s t c d a: Ankunftszeit (Arrival Time) r: Anforderungszeit (Request Time) s: Startzeit (Start Time) c: Beendigungszeit (Completion Time) d: Zeitschranke (Deadline) er p p: Periode (Period) e: Ausführungszeit (Execution Time) er: Restausführungszeit (Remaining Execution Time) l: Spielraum (Laxity) j: Reaktionszeit (Reaction Time; Release Jitter) r Prozess 1 PCB 1 Prozess 2 PCB 2 Prozess 3 PCB 3 Prozess n PCB n Taskkontext (Zustandsinformationen im PCB) Taskverwaltung Speicherverwaltung Ein/Ausgabeverwaltung Programmzähler Statusregister Steuerregister Stapelzeiger Registerblock Taskidentifikation Taskpriorität Taskparameter Startadresse Größe und Zustand von: Taskcode Taskdaten Taskstapel dynamisch belegtem Taskspeicher (Taskhalde) Erteilte Ein/Ausgabeaufträge Zugriffsrechte auf Geräte Angeforderte Geräte Belegte Geräte Zeiger auf Gerätepuffer Zustand belegter Geräte Zeiger auf offene Dateien Zugriffsrechte auf Dateien Zeiger auf Dateipuffer Zustand offener Dateien Binder und Lader Linker (Binder) Adressraum eines ablauffähigen Programms main() Übersetzer (Compiler) Quelldatei Quelldatei Quelldatei Objektdatei Objektdatei Objektdatei Binder (Linker) Gebundene Objektdatei Lader (Loader) ausführbares Programm im Hauptspeicher Adressen Sub1() Sub2()... Sub n () Bibliotheksfunktionen / Laufzeitsystem globale Variablen selbst geschriebene Funktionen Stack Heap 15 16

5 Adressraum eines Programmes Ein ablauffähiges Programm besteht aus vier Segmenten (Regionen): Code Segment Programm im Maschinencode DatenSegment globale (externe) Variablen Stack (Stapel) lokale Variablen Rücksprungadresse einer Funktion Heap (Haufen) dynamische Variablen Code Daten Stack Heap Speicherbereiche eines Programms statischer dynamischer Programm Code Globale Daten Stack freier Heap Zugriff auf dynamische Variablen mit Hilfe von Pointern Beispiel: Reservierung mit malloc() calloc() Freigabe mit free() stat. Pointer Variable stat. Pointer Variable dyn. Variable dyn. Variable Code Daten Stack Heap stdin / stdout stderr Interaktion mit einem Programm printf, putchar, puts scanf, getchar, gets Argumente auf der Kommandozeile int main (int argc, char **argv) Anwender Programm (Software) sscanf String sprintf fprintf, putc, fputs fscanf, getc, fgets fopen, fclose, fgetpos fsetpos, ftell, fseek fread fwrite Textdateien Dateien mit Blockstruktur 19 20

6 Aufbau des E/A Systems mit den Treibern Interaktion zwischen Anwenderprogramm, E/ASystem, Treiber und Gerät Anwendungsprogramm Anwendungsprogramm E/A System Aufruf einer Funktion oder Prozedur zur Eingabe bzw. Ausgabe von Daten Geräteunabhängiges E/A System Aufrufe Geräteregister Treiber Ereignisse Unterbrechungs Anforderungen Treiber Schnittstelle Gerätetreiber Gerätetreiber Gerätetreiber Steuereinheit elektrische Signale Gerät Mehrstufige Speicherhierarchie bei heutigen Mikroprozessoren Mikroprozessor Taskmodell Register 2 kbyte 0,5 0,1 ns First LevelCache Daten Code 8 64 kbyte < 1 ns Anwendung Secondary LevelCache ThirdLevelCache Hauptspeicher 0,25 1 MByte 2 10 ns MByte ns > 1 GByte 50 ns Task 1 Task n Thread 1 Thread i Thread 1 Thread j virtuelle Speicherverwaltung Festplatte GByte ms 23 24

7 Zuteilungsstrategien (FCFS) Firstcome, first serve (FCFS) Zuteilungsstrategien Shortest job first; kürzester Auftrag zuerst Warteschlange Auftrags Eingang A n A n1 Warteschlange A2 A1 Auftrags Bearbeitung Auftrags Eingang Priorität A n A 2 A J A n A 1 A n1 A n1 1 FIFO n1 n A J A 2 A 1 Auftrags Bearbeitung Zuteilung einer Zeitscheibe Zuteilungsstrategien (roundrobin) Warteschlange Zuteilungsstragie (EDF) EarliestDeadlineFirstScheduling Ereignis E; Prozess P; Zeit t; Earliest Deadline T Auftrags Eingang A n A n1 A2 A1 t 1 T 1 T i T n Zeit t t i t n t 1 t n t n1 t 2 t t Auftrags Bearbeitung E 1 E i E n Prozess P 1 Prozess P i Prozess P n 27 28

8 Literaturhinweise Heinz Wörn, Uwe Brinkschulte Echtzeitsysteme Springer Verlag Berlin Heidelberg 2005 ISBN Peter Scholz Softwareentwicklung eingebetteter Systeme Springer Verlag Berlin Heidelberg 2005 ISBN Endliche Automaten Zustandsdiagramm einer Mausefalle M, T G M, T G M, T M, T Eingabealphabet: Zustandsmenge: Ausgabealphabet: E = { M, M} M = Maus_ kommt M = Maus_ kommt _ nicht S = { G,G} G = Falle _ist _ gespannt G = Falle _ist _ nicht _ gespannt Z = { T,T } T = Maus_ ist _ tot T = Maus_ ist _ nicht _ tot Endliche Automaten Zustandstafel einer Mausefalle Bussysteme Grundlegender Aufbau von Bussen und Ankopplung von Busteilnehmern. G M G,T M G,T Subsystem Schnittstelle BusSS BusSS BusSS Prozessorkarte Speicherkarte Speicherkarte E/A Einheit BusSS Bus Steuer Einheit BusSS G G,T G,T Versorgungsbus Steuerbus Adreßbus Datenbus 31 32

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