Technische Informatik 2 Betriebssystem

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1 Technische Informatik 2 Betriebssystem Prof. Dr. Miroslaw Malek Sommersemester

2 Thema heute Betriebssystem Funktionalität Analogien Betriebssystementwicklung Scheduling von Prozessen Speichermanagement Systemsicht des Betriebssystems TI2 Betriebssystem - 2

3 Allgemeiner Überblick Anwendungs-Software: Textverarbeitung Flugzeugreservierungssystem Computerspiele Betriebssystem Hardware TI2 Betriebssystem - 3

4 Betriebssysteme Integraler Bestandteil des Computerdesigns Laden Linken Speicherverwaltung CPU-Verwaltung (Scheduling und Speicheranforderung) Betriebssysteme sind Programme, die die Ausführung von Programmen handhaben. Das Betriebssystem handhabt die CPU bezüglich der verfügbaren E/A Ressourcen. Ressource- Teilung kann Kosten reduzieren, wenn dies zu einer Erhöhung des Systemdurchsatzes führt, z.b. mehr laufende Benutzerprogramme pro Zeiteinheit. Die Hauptfunktion eines Betriebssystems ist die Verwaltung der CPU- und Kanal- (E/A) Aktivität. TI2 Betriebssystem - 4

5 Analogien BS = Regierung, es führt das Management der Ressourcen durch, aber es produziert nichts, da die Produktion den Anwendungsprogrammen obliegt BS = Fabrikmanager, ein Fabrikmanager erleichtert den Fluss zwischen den einzelnen Arbeitsschritten, produziert jedoch keine Güter TI2 Betriebssystem - 5

6 Einige weitere Sichten eines Betriebssystems BS ist ein Magier, es versteckt Software- und Hardwareressourcen und gibt dem Benutzer das Gefühl, einer problemfreien Welt, ohne typische Hardwaregrenzen BS als Verkehrsampel, die Verkehrsampel reguliert den Fluss der Autos, das BS reguliert den Fluss der Prozessausführung (Eingabe/Ausgabe Operationen, Interrupts, Speicherschutz, usw.) BS als Wertpapierspekulant, Lernen aus Fehlern die in der Vergangenheit gemacht wurden, um den Profit (Performance) in der Zukunft zu maximieren. BS als Stellglied - verbindet Benutzer, Programme und Prozesse, die Hardware benutzen (Transaktionen). BS als Mittler dient als Vermittler zwischen Hardware und der Anwendungssoftware TI2 Betriebssystem - 6

7 Betriebssysteme 1. Erschaffen und Beenden von Prozessen 2. Überblick über die und Kontrolle des Fortschritts der Ausführung der Prozesse 3. Laden und linken der Programme 4. Speicherverwaltung 5. Scheduling, z.b.: definiert, in welcher Reihenfolge die Prozesse ausgeführt werden 6. Behandlung von Ausnahmen, Fehlern oder Schutzverletzungen 7. Zuordnung von Hardware- und Software- Ressourcen zu Prozessen TI2 Betriebssystem - 7

8 Betriebssysteme (2) 8. Bieten Zugriffe zur Software und Daten, z.b.: Compiler und Assembler, Bibliotheksprogramme, Text Dateien, Bilder, Musik 9. Sichert benötigte Qualitätseigenschaften (QoS) unter Beachtung von Sicherheits-, Echtzeit-, Zuverlässigkeit- und anderen Aspekten 10.Unterstützende Kommunikation und Webdienste (Supporting communication and web services) - auch ein Browser kann als Teil eines Betriebssystems angesehen werden Ein Prozeß ist eine Routine, die als Teil der Abarbeitung eines geplanten Jobs ausgeführt wird. Beinhaltet Informationen, die die Unterbrechung und folgende Wiederaufnahme der Ausführung eines Programms erlaubt. TI2 Betriebssystem - 8

9 Betriebssystementwicklung IOCS Input/Output Control System IBSYS IBm SYStem CTS Basierend auf Wolfgang Coy "Aufbau und Arbeitsweise von Rechenanlagen: Einführung in Rechnerarchitektur und Rechnerorganisation", Vieweg DOS/360 OS/360 Compatible Time Sharing RSX (Resource Sharing executive) DOS/VDSE TSO MVS/370 CP/CMS VM/370 VMS (Virtual Memory System) SYSTEM III MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) UNIX UNIX V BSD XENIX CP/M Control Program for Microcomputers MS-DOS 85 VS MVS/XA VM/XA SYSTEM V AIX SUN OS POSIX 4.2 BSD MACH DR/DOS VSE/ESA MVS/ES VM/ESA Multiple Virtual Storage SYSTEM V.4 AIX/370 AIX/ESA OSF/1 SOLARIS 4.3 BSD 4.4 BSD OS/2 WINDOWS NT 2000 Windows XP TI2 Betriebssystem - 9

10 IBM 7090/94 IBSYS Betriebssystemübersicht System Core Dump Editor Supervisor FORTRAN II Processor Symbolic Update Program IBJOB Processor (IBJOB) Restart Program Sorting System (SORT) IO Control System (IOCS) FORTRAN II Monitor IBJOB Monitor FORTRAN II Compiler & FAP Assembler Macro Assembler, Loader Subroutine Library, & Debugging Processor FORTRAN IV Compiler (IBFTC) COBOL Compiler (IBCBC) Nucleus IO- Executor Commercial Transla-tor Processor 9PAC Processor Utilities (DK90 UT) Commercial Translator Monitor Utility Monitor Compiler, Loader, Symbolic Maintenance (MAIN), & Subroutine Updater (SUBUP) Disk/ Drum Utilities TI2 Betriebssystem - 10

11 Scheduling von Prozessen Priorität für jeden Prozess Der Prozess wird in eine Warteschlange, in der auch die anderen, vom Betriebssystem auszuführenden Prozesse zu finden sind, eingereiht. Information über den Zustand des Prozesses Prozessnummer (id) Prozesszustand Schutz Scheduling-Information Statusinformation TI2 Betriebssystem - 11

12 Scheduling von Prozessen (2) mindestens ein Scheduler gewöhnlich zwei Scheduler einer für long term Jobs: Entscheidung über den Grad des Multiprogramming der andere für short term Jobs: Auswahl der neuen Prozesse, die ausgeführt werden sollen. Kriterien für das Auswählen eines Prozesses: CPU Ausnutzung Durchsatz Antwortzeit Responsivität (Echtzeit System) TI2 Betriebssystem - 12

13 Scheduling Die Scheduling-Routine eines Betriebssystems führt Long-Term Scheduling durch das Gruppieren von Jobs, für gewöhnlich nach Priorität und Klasse, für die Ausführung durch die CPU aus. Speicheranforderungen (MM & Ersatz-) und Prioritätsfaktoren werden normalerweise in die Scheduling-Gleichung mit einbezogen. Speicher-Management Short-Term Scheduling Ein Prozeß ist eine Routine, die als Teil der Abarbeitung eines geplanten Jobs ausgeführt wird. Beinhaltet Informationen, die die Unterbrechung und folgende Wiederaufnahme der Ausführung eines Programms erlaubt. TI2 Betriebssystem - 13

14 Scheduling Politiken 1. First-In-First-Out (FIFO, auch bekannt als: Der Erste der ankommt, wird als Erster bedient) 2. Kürzester Job Zuerst [Shortest-Job-First (SJF) ] 3. Prioritäten Scheduling (Priority Scheduling) 4. Round Robin Scheduling 5. Früheste Deadline zuerst [Earliest Deadline First (EDF)] 6. Monotones Scheduling [Rate Monotonic Scheduling (RMS) Algorithm ] 7. Minimalster Überhang (Least Laxity Scheduling) (Differenz zwischen Deadline und Ausführungszeit) Kleinerer Überhang = höhere Prioriät TI2 Betriebssystem - 14

15 Zustandsdiagramm Ein Prozess durchläuft eine Anzahl von Zuständen: ausführbar blockiert in Ausführung Das Zustandsdiagramm illustriert die Steueraktivitäten, die für die Prozessverwaltung nötig sind. Die Beschriftungen entlang der Pfeile zeigen die Gründe der Änderung von einem Zustand in den anderen. Interrupts können Zustandsänderungen hervorrufen. Programme mit höherer Priorität können laufende Programme unterbrechen. TI2 Betriebssystem - 15

16 Zustandsdiagramm (2) Die meisten Details von E/A-Operationen können nicht eingesehen und vom Programmierer nicht kontrolliert werden, es sei denn, das Betriebssystem hat einen Benutzermodus (user mode), der dem Benutzer die Kontrolle bis zu einem gewissen Grad erlaubt. Normalerweise läuft das Betriebssystem im Überwachungsmodus (supervisor mode). Wartend Abarbeiten Anhalten (z.b. wenn E/A hält) Bereit Laufend Beenden Zurückstellen TI2 Betriebssystem - 16

17 Interaktives Computing Online-Geräte interagieren direkt mit der CPU, die die gesamte Umgebung kontrolliert. Die Hauptaufgabe der CPU ist das Erzeugen von Antworten an individuelle Benutzer (im Gegensatz zum Erreichen maximalen Durchsatzes). Zeitverzögerung der Antwort Time Slice Round-Robin Obere Grenze des Zeitintervalles der Antwort ist eine Quantum-Zeit. Nach einem Zeitintervall geht die Kontrolle an das Betriebssystem zurück. TI2 Betriebssystem - 17

18 Arten der Verarbeitung: Arten der Verarbeitung, die vom BS unterstützt werden: 1. Batch-Verarbeitung (Jobs werden gruppiert) 2. Transaktionenbasierte Verarbeitung (Operationen, wie Einkaufen mittels E-Commerce oder Banktransfers werden unterstützt) 3. Interaktive Verarbeitung (z.b.: Browsen im Internet oder Spiele gehören dieser Kategorie an.) TI2 Betriebssystem - 18

19 Speichermanagement Vor der Einführung von virtuellem Speicher wurden Primär- (Hauptspeicher) und Sekundärspeicher explizit durch das Programm verwaltet. Durch virtuellen Speicher verwaltet nun eine Kombination aus Hardware und Systemsoftware unsichtbar für das Benutzerprogramm den Primärspeicher. CPU Primärer Speicher Sekundärer Speicher Haupt- und Sekundärspeicher werden explizit von Programmen organisiert. TI2 Betriebssystem - 19

20 Speichermanagement (2) Virtueller Speicher CPU Hauptspeicher Virtueller Adreßraum Hauptspeicher wird für Anwenderprogramme transparent organisiert. TI2 Betriebssystem - 20

21 Die neue Welt Menschen (Benutzer) Computer Computer Netzwerk Sensoren Aktuatoren (z.b. Roboter) TI2 Betriebssystem - 21

22 Einige Aufgaben des OS aus Benutzersicht Anwendungsprogramme Betriebsmittelverwaltung Prozessverwaltung Speicherverwaltung Datenverwaltung Ein-/ Ausgabeverwaltung Jobverwaltung Diagnose und Test Editoren Mehrprozessorverwaltung Systembefehlsinterpreter Tabellenkalkulation Datenbank Linker-/ Ladeprogramme Dateibearbeitung Abrechnung lokale Netzverwaltung Telekommunikation Übersetzer Assembler Compiler Interpreter Makrointerpreter TI2 Betriebssystem - 22

23 Systemsicht des Betriebssystems: Schichtmodell Schichtname Schaltkreise Maschinensprache Prozesskommunikation Unterprogrammverwaltung Interrupts einfache Prozesse lokaler Zusatzspeicher virtueller Speicher Typische Objekte Register, Gatter, Busse Befehlszähler, ALU Prozedurblock, Stack Fehlerroutinen Semaphor, Puffer Datenblock, E/A-Kanal Seiten Übergabekanal (Pipe) Typische Operationen NAND, NOR, XOR Add, Move Call, JSR, RTS Busfehler, Reset warten, bereitstellen, ausführen lesen, schreiben, öffnen, schließen lesen, schreiben, austauschen lesen, schreiben, öffnen TI2 Betriebssystem - 23

24 Systemsicht des Betriebssystems: Schichtmodell (2) Schichtname Dateiverwaltung Geräteverwaltung Ein-/Ausgabeströme Benutzerprozesse Verzeichnisverwaltung Benutzeroberfläche Typische Objekte Dateien...weiter... Zusatzspeicher, Terminals Datenströme Benutzerprozesse interne Tabellen Fenster, Menüs, Icons Typische Operationen lesen, schreiben, öffnen, kopieren lesen, schreiben lesen, schreiben, öffnen, schließen einloggen, ausloggen, Verzweigungen erstellen, löschen, ändern Betriebssystembefehle TI2 Betriebssystem - 24

25 Systemsicht des Betriebssystems: Schichtmodell (3) Anwendungsschicht Anwenderprogramme Systemschicht C-Compiler Pascal/Modula-2 Lisp/Prolog u.a. Assembler Debugger Systemprogramme YACC Compiler- Compiler Editoren ed/vi/sed u.a. Textverarbeitung nroff/troff/tex Vorder-/Hintergrund Befehlsinterpreter (Shell, GUI) Befehlsketten Befehlsverarbeitung Befehls- und Dateiumlenkung Hilfsprogramme Onlinehandbuch Lernprogramm Sortierprogramme Spiele UNIX-Kern Mehrprozeßverwaltung Interprozeß- Kommunikation Hierarchische Prozeßverwaltung Hierarchische Dateiverwaltung Erweiterbare Dateisysteme Mehrplatzverwaltung Pipes Filter Automatische Prozeßvergabe Autom. Dateiein-/auslagerung TI2 Betriebssystem - 25

26 Befehls- und Datenfluss CPU Programmsteuerungseinheit PROGRAM ALU Verarbeitende Einheit Befehle Daten Speichereinheit E/A Geräte TI2 Betriebssystem - 26

27 Software Zusammenfassung Neue Anwendungsgebiete entwickeln sich ständig Middleware nimmt zu Betriebssysteme werden immer größer beeinflussen die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Einfachheit der Benutzung eines Systems Komplexität und Funktionalität sind fast außer Kontrolle und häufig von der Verständlichkeit entfernt. Computersysteme gehören einer Klasse der komplexesten und komplizierten Geräte an, die jemals von der Menschheit erschaffen wurden. Verschiebung von Leistung zu Zuverlässigkeit und Sicherheit wird zunehmen. TI2 Betriebssystem - 27