Systemsoftware (SYS)

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1 Systemsoftware (SYS) Christian Baun Hochschule Mannheim Fakultät für Informatik Institut für Robotik

2 Was ist Systemsoftware? Eine Auswahl an Systemsoftware-Definitionen aus der Literatur: Mittels Systemsoftware wird Anwendungen der komfortable Zugang zu den Hardwareressourcen eines Rechnersystems eröffnet. Sie erfüllt damit eine wichtige Brückenfunktion zwischen Anwendungen und der Rechnerhardware... Systemsoftware, Jürgen Nehmer und Peter Sturm (2001) Zur Systemsoftware gehören Betriebssysteme, systemnahe Software (Daten-Verwaltungswerkzeuge, Software-Entwicklungswerkzeuge,...) und Übersetzungsprogramme (Assembler und Compiler). Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 2

3 Was ist ein Betriebssystem? Eine Auswahl an Betriebssystem-Definitionen aus der Literatur: Ein Betriebssystem sind die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des Rechensystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. DIN Zur Steuerung und Verwaltung der einzelnen Komponenten eines Computersystems dient ein so genanntes Betriebssystem. Lehrbuch Grundlagen der Informatik, Helmut Balzert (2004) Ein Betriebssystem ist die Software, die die Verwendung (den Betrieb) eines Computers ermöglicht. Es verwaltet Betriebsmittel wie Speicher, Ein- und Ausgabegeräte und steuert die Ausführung von Programmen. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 3

4 Zwei mögliche Sichten auf ein Rechnersystem Hardwaresicht: Rechnersysteme besteht aus einer Menge von Hardwarekomponenten, die gesteuert werden müssen: Anwendungssicht: Ein Betriebssystem stellt Konzepte und Werkzeuge zur (komfortablen) Steuerung des Systems und Verwaltung der Daten. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 4

5 Hardwaresicht: Menge von Hardwarekomponenten Prozessor, der Programme in Form von Maschinencode ausführt und den Computer steuert. Vereinigt zwei wichtige Grundaufgaben, nämlich Steuerwerk und Rechenwerk. Hauptspeicher, der Daten und Programme speichert und schnellen Zugriff ermöglicht. Hauptspeicher ist flüchtiger und teurer Speicher. Festplatten zur langfristigen Speicherung großer Datenmengen. Festplatten bieten nur einen langsamen Zugriff, sind aber kostengünstig. Bildschirm und Drucker zur Ausgabe von Resulataten. Netzwerkgeräte zum Anschluß an Kommunikationsnetzwerke. Tastatur und Maus zur Dateneingabe und Systemsteuerung. Weitere Ein-/Ausgabegeräte wie CD/DVD-Laufwerke, Disketten, USB-Sticks, Scanner, usw... Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 5

6 Anwendungssicht: Steuerung des Systems und Verwaltung der Daten Dateisystem mit Dienstprogrammen zur Dateiverwaltung. Werkzeuge und Funktionen zur Systemverwaltung. Benutzerverwaltung und Multi-User-Fähigkeit zur Verwaltung verschiedener Benutzer. Bereitstellung einer Benutzerschnittstelle zur Systemsteuerung durch den Benutzer (Shell, Grafische Oberfläche). Programmierumgebung zum Schreiben und Übersetzen von Quellcode. Schutzmechanismen zum Schutz des Systems vor Angriffen von außen und vor falscher Bedienung des Benutzers. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 6

7 Aufgaben eines Betriebssystems Die Hauptaufgabe eines Betriebssystems besteht in der Verteilung von Betriebsmitteln auf sich bewerbende Benutzer. Ein Betriebssystem hat die Rolle des Verwalters der Betriebsmittel. Betriebsmittel sind u.a. Prozessoren, Hauptspeicher, Ein-/Ausgabegeräte, Dateien und Netzwerkdienste. Bereitstellung einer Benutzerschnittstelle (GUI) zur Steuerung des Systems. Die Alternative wäre das System direkt, hardwaremäßig zu steuern. Bereitstellung von Schutzmechanismen gegen unbefugte Zugriffe, Angriffe von außen und fehlerhafte Bedienung durch die Benutzer. Bereitstellung von Werkzeugen zur Benutzer- und Dateiverwaltung. Bereitstellung von Bibliotheken und Entwicklungswerkzeugen um eigene Programme zu schreiben. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 7

8 Position des Betriebssystems Benutzer Benutzerschnittstelle Anwendungs- Programme Browser, Officepakete, usw. Benutzer Shell, Editoren, Compiler, usw. Systemschnittstelle Hardwareschnittstelle Betriebssystem Physikalische Geräte (Hardware) Prozessor, Speicher, Monitor, Maus, Tastatur, usw. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 8

9 Generationen von Computer- und Betriebssystemen Die Entwicklung von Hardware und Betriebssystemen geht Hand in Hand. 1.Generation (Anfänge bis 1955) Elektronenröhren, Relais und Klinkenfelder. 2.Generation (1955 bis 1965) Transistoren und Stapelverarbeitung. 3.Generation (1965 bis 1980) Integrierte Schaltungen und Dialogbetrieb. 4.Generation (1980 bis heute) Hoch-integrierte Schaltungen, Mikroprozessoren, PCs/Workstations. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 9

10 1.Generation (Anfänge bis 1955) Die erste Generation von Betriebssystemen entstand, als gegen Ende des 2.Weltkriegs die ersten Rechner (Konrad Zuse, John von Neumann) das Licht der Welt erblickten. Man kann von der Pionierzeit sprechen. Die Rechner waren riesige Maschinen mit teilweise über Röhren oder Relais, die sehr langsam arbeiteten und sehr fehleranfällig waren. Betriebssysteme und Programmiersprachen waren zu dieser Zeit noch unbekannt. Der Benutzer/Programmierer startete ein Programm, dass direkt auf Hardware zugriff. Programme wurden bei diesen Rechnern über Klinkenfelder gesteckt. Anfang der 50er Jahre wurde das Stecken der Klinkenfelder durch Lochkarten abgelöst. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 10

11 Zuse Z3 (1941) Erster Computer der Welt (basiert auf Relaistechnik). Erstmals Verwendung des Dualsystems. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 11

12 ENIAC (1944) (1) Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC). Erster elektronischer, digitaler Universalrechner (mit Elektronenröhren). Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 12

13 ENIAC (1944) (2) Röhren, Dioden, Relais, Widerstände, Kondensatoren. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 13

14 2.Generation (1955 bis 1965) Mit der Einführung der Transistoren Mitte der 50er Jahre wurden die Rechnersysteme deutlich zuverlässiger, aber auch teuerer. Die FORTRAN- oder COBOL-Programme wurden vom Programmierer auf Formblätter aufgeschrieben vom Eingeber bzw. Codierer in Lochkarten gestanzt und dem Operator übergeben. Der Operateur koordinierte die Reihenfolge der Programme (Jobs), bestückte den Rechner mit den entsprechenden Lochkarten, lud den Compiler vom Magnetband, und übergab abschließend das Rechenergebnis in Form eines Ausdrucks. = Sehr ineffiziente Arbeitsweise Später wurden aus Effizienzgründen die Programme gesammelt, auf Magnetbänder eingelesen und dann im Maschinenraum verarbeitet. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 14

15 3.Generation (1960 bis 1980) Die frühen 60er Jahre sind die Zeit des Aufkommens integrierter Schaltungen. Dadurch konnten leistungsfähigere, kleinere und billigere Computer entwickelt werden. Zu Anfang der 60er Jahre bildeten sich zwei Entwicklungsstränge heraus: Weiterentwicklung der Stapelverarbeitungssysteme in Richtung gleichzeitig abzuarbeitende Jobs. Erste einfache Speicherverwaltung (Fixed Partitions). Während der 70er Jahre: Aufkommen von Dialogbetrieb (Time Sharing) bzw. Zeitteilbetrieb. Eine Zentraleinheit, mehrere Terminals (Dialogstationen). Jeder Benutzer erhält beim Anmelden einen Benutzerprozess. Faire Verteilung der Rechenzeit ist das Ziel. Ende der 70er Jahre: Entwicklugn des Mikroprozessors = Weg zum Home-Computer bzw. Personal Computer (PC). Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 15

16 4.Generation (1980 bis heute) Aufkommen hoch-integrierter Schaltkreise und exponentiell wachsende Integrationsdichte der elektronischen Komponenten: Prozessoren werden immer leistungsfähiger und preiswerter Speicherbausteine haben eine immer höhrere Kapazität Hohe Rechenleistung konnte an jedem Arbeitsplatz installiert werden. = Workstations setzten sich durch. = immer größerer Erfolg von Heimcomputern und Personal Computern. Das Hauptziel der Softwareindustrie ist nun, oder sollte es sein, benutzerfreundliche (und zunehmend grafische) Lösungen für Benutzer zu schaffen, die von der zu Grunde liegenden Hardware nichts wissen und nichts wissen wollen. Auf Personal Computern: MS-DOS Version 1.0 (1981) Auf Workstations (SUN, SGI,...): UNIX Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 16

17 Klassifikationen von Betriebssystemen (1) Betriebssysteme sind unterschiedlich leistungsfähig. Kriterien, um Betriebssysteme zu bewerten und klassifizieren, sind hauptsächlich: Effizienz der Betriebsmittelverwaltung. Anzahl und Qualität der Dienste und Werkzeuge. Benutzerfreundlichkeit der Oberfläche, Stabilität und Sicherheit. Rechensysteme müssen in der Regel mehrere Aufträge gleichzeitig bearbeiten. Die Betriebsart bestimmt die Reihenfolge der Ausführung. Folgende Betriebsarten von Betriebssystemen werden unterschieden: Stapelbetrieb bzw. Batchbetrieb (Batch-Processing) Dialogbetrieb (Interctive-Processing bzw. Dialog-Processing) bzw. Zeitteilbetrieb (Time-Sharing) Echtzeitbetrieb (Realtime-Processing) Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 17

18 Stapelbetrieb bzw. Batchbetrieb (1) Frühe Betriebssysteme waren reine Stapelverarbeitungs-Betriebssysteme. Bei einem Rechensystem mit Stapel- bzw. Batchbetrieb, muss eine Aufgabe aus einer Menge von Aufgaben vollstandig gestellt sein, bevor mit ihrer Abwicklung begonnen werden kann. Programme wurden auf Lochkarten geschrieben und dem Operator gestapelt übergeben. Seine Aufgabe war es, den Rechner mit dem Stoß (Batch) von Lochkarten zu bestücken. Der Stapelbetrieb eignet sich gut zur Ausführung von Routineauftragen. Auch heutige Systeme besitzen die Möglichkeit, Progammabfolgen automatisch zu bearbeiten (z.b. Batch-Dateien, Shell-Skripte, usw.). Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 18

19 Stapelbetrieb bzw. Batchbetrieb (2) Einbenutzerbetrieb mit Einzelauftragsbearbeitung (Single User Mode) Eingabe Benutzer X Ausführung Auftrag 1 Ausgabe Benutzerwechsel Eingabe Ausführung Auftrag 2 Benutzer Y Ausgabe Eingabe Ausführung Auftrag 3 Ausgabe Stapelbetrieb (Batchbetrieb) Benutzer X Benutzer Y Ausführung Auftrag 1 Ausführung Auftrag 2 Ausführung Auftrag 3 Eingabe Ausgabe Eingabe Ausgabe Eingabe Ausgabe Zeit Problem: beim Stapelbetrieb wird der Hauptprozessor nicht optimal ausgenutzt. Während der Eingabe und Ausgabe liegt der Prozessor brach. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 19

20 Stapelbetrieb bzw. Batchbetrieb (3) IBM 1402 IBM 729 Eingabeband Systemband Ausgabeband IBM 729 IBM 1403 Kartenleser Bandgerät Bandgerät Drucker IBM 1401 Vorrechner IBM 7094 Großrechner IBM 1401 Nachrechner Vorrechner zum Einlesen der Lochkarten und Speichern auf Band Großrechner zur Programmausführung Nachrechner zum Einlesen der Ausgabebänder und Ausdrucken der Ergebnisse Vor-/Nachrechner befreien den Großrechner von langsamen I/O-Arbeiten. Von Band kann viel schneller eingelesen werden, als von Lochkarten und auf Band kann viel schneller Ausgegeben werden als auf Papier. Ziel: Vermeidung ungenutzter Rechenleistung des Großrechners. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 20

21 Stapelbetrieb bzw. Batchbetrieb (4) Stapelbetrieb mit Vor- und Nachrechner (Spooling) Vorrechner (Eingabeprozessor) Eingabe Auftrag 1 Eingabe Auftrag 2 Eingabe Auftrag 3 Haupt-/Großrechner (Hauptprozessor) Ausführung Auftrag 1 Ausführung Auftrag 2 Ausführung Auftrag 3 Nachrechner (Ausgabeprozessor) Zeit Ausgabe Auftrag 1 Ausgabe Auftrag 2 Ausgabe Auftrag 3 Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 21

22 Stapelbetrieb bzw. Batchbetrieb (5) Die Entlastung des Hauptprozessors durch zusätzliche Hardware für Einund Ausgabeoperationen wird als Spooling bezeichnet. Ein- und Ausgabe von Aufträgen geschieht nebenläufig zur Bearbeitung anderer Aufträge. Heute haben Computer naben dem Hauptprozessor spezielle, DMA-fähige (Direct Memory Access) Ein-/Ausgabeprozessoren, die Auftäge direkt in den Hauptspeicher schreiben und Ergebnisse aus diesem holen. Spooling ist auch heute noch aktuell. z.b. Spoolingprozesse zum Drucken. Üblicherweise ist die Stapelverarbeitung (Batchbetrieb) eine interaktionslose Ausführung einer Folge von Aufträgen (Jobs). Nach dem Start eines Jobs wird er bis zum Ende oder Auftreten eines Fehlers ohne Interaktion mit dem Benutzer abgearbeitet. Bei frühren Rechnersystemen mit Stapelbetrieb erhielt der Benutzer das Ausführungsergebnis vom Operateur. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 22

23 Stapelbetrieb bzw. Batchbetrieb (6) Beim klassischen Stapelbetrieb handelt es sich um Einzelprogrammbetrieb (Singletasking), bei dem das Betriebssystem immer nur die Ausführung eines Programms auf einmal gestattet. Der Start eines zweiten Programms ist erst nach Beendigung des Ersten möglich. Stapelbetrieb ist heute keineswegs obsolet! Rechenintensive Programme, die auf mehreren verteilten Systemen (Cluster, Grids oder P2P, usw.) laufen, sind in den meisten Fällen interaktionslose Batchprogramme. = Distributed Computing und Number Crunching Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 23

24 Zwei gestanzte Lochkarten Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 24

25 Kleiner Exkurs zu Lochkarten Erfinder: Herman Hollerith Loachkartenpremiere: Amerikanische Vorlkszählung 1890 Holleriths Firma Tabulating Machine Company wurde nach dem Verkauf 1911 und zwei Fusionen im Jahr 1924 in International Business Machines Corporation (IBM) umbenannt. IBM patiert sich 1928 die Lochkarte mit 12 Zeilen zu je 80 Spalten. In jedes Feld kann ein rechteckiges Loch gestanzt werden. In jeder Spalte wird ein Zeichen oder bei Binärdaten ein binäres Datum dargestellt. Jede Lochkarte stellt üblicherweise eine Zeile Programmtext mit 80 Zeichen oder entsprechend viele binäre Daten dar. Das die Zeilenlänge von s und Textdateien heute noch typischerweise 80 Zeichen beträgt, geht auf die Lochkarte zurück. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 25

26 Dialogbetrieb Timesharing (1) Erster konzeptioneller Ansatz, im mehrere Benutzer an einem Computer gleichzeitig, konkurrierend, arbeiten zu lassen, indem sie sich die verfügbare Rechenzeit des Hauptprozessors teilen. Die Verteilung der Rechenzeit geschieht mit Zeitscheiben (time slices bzw. time shares) und kann nach unterschiedlichen Strategien erfolgen. Jeder Benutzer glaubt, dass er die gesamten Rechenleistung des Hauptprozessorss stets für sich alleine zur Verfügung hat. Erstmals konnten mehrere Benutzer gleichzeitig über Terminals an einem Computer interaktiv arbeiten und das Rechenverhalten beeinflussen. Die Programme der einzelnen Benutzer sind unabhängig voneinander. Die quasi-parallele Programm- bzw. Prozessausführung bezeichnet man als Mehrprogrammbetrieb oder Multitasking. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 26

27 Dialogbetrieb Timesharing (2) Zentralrechner Terminals Benutzerdialog Benutzer A Benutzer B Benutzer C Benutzer D Mehrprogrammbetrieb (Multitasking) A B C D C A C D A B C B D Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 27

28 Dialogbetrieb Timesharing (3) Durch Dialogbetrieb kamen neue Arbeitsweisen in die IT, die heute selbverständlich sind und neue Konzepte wurden notwendig: Scheduling (Zeitplanerstellung): Automatische Erstellung eines Ablaufplanes (schedule), der Benutzern bzw. Prozessen zeitlich begrenzte Ressourcen zuteilt. Swapping (Umlagerung): Prozess des Ein- und Auslagerns von Speichersegmenten in den/vom Arbeitsspeicher vom/in den Hintergrundspeicher (Festplatten). Swapping findet immer dann statt, wenn der Scheduler einen Prozess aktiviert (siehe Speicherpyramide). Dateisysteme, die quasi-gleichzeitige Dateizugriffe erlauben. Speicherschutz: Der Arbeitsspeicher wird aufgeteilt und laufende Programme voneinander getrennt. So kann ein Programmierfehler oder Absturz eines einzelnen Programms nicht die Stabilität anderer Programme und des Gesamtsystems beeinträchtigen. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 28

29 Dialogbetrieb Timesharing (4) Stapelverarbeitung und Dialogbetrieb haben unterschiedliche Ziele. Hauptziel Anweisungsquelle für das Betriebssystem Stapelverarbeitung (Batchbetrieb) Maximierung der Prozessorausnutzung Befehle in Jobsteuersprache, die mit dem Job bereitgestellt werden Dialogbetrieb (Timesharing) Maximierung der Antwortzeit Befehle, die am Terminal eingegeben werden Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 29

30 Warum bingt Multitasking mehr Rechnerleistung? Auch wenn es nicht gleich ersichtlich ist, bringt Multitasking doch immer große Vorteile mit sich. Programme müssen fast immer zu gewissen Zeiten auf äußere Ereignisse warten. Dabei kann es sich um Benutzereingaben, Eingabe/Ausgabe- Operationen von Peripheriegeräten oder einfach das Warten auf eine Nachricht eines anderen Programms handeln. Durch Multitasking können Programme, die auf ankommende s, erfolgreiche Datenbankoperationen, geschriebene Daten auf der Festplatte oder ähnliches, in den Hintergrund geschickt werden und andere Programme kommen früher zum Einsatz. Der Overhead, der bei der quasiparallelen Abarbeitung von Programmen durch die Programmwelchsel entsteht, ist im Vergleich mit dem Geschwindigkeitszuwachs zu vernachlässigen. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 30

31 Echtzeitbetrieb Bei Echtzeitbetriebssystemen (Real-Time Operating Systems) handelt es sich um Multitasking-Betriebssysteme, in denen zusätzliche Echtzeit-Funktionen für die Einhaltung von Zeitbedingungen und die Vorhersagbarkeit des Prozessverhaltens implementiert sind. Die verfügbaren Ressourcen werden auf mehrere Benutzer und Prozesse aufgeteilt. Beim Echtzeitbetrieb sind alle Programme ständig betriebsbereit und Ergebnisse stehen in einer vorgegebenen Zeitspanne zur Verfügung. Wesentliches Kriteriem von Echtzeitbetriebssystemen: Reaktionszeit Es werden unterschiedliche Prioritäten berücksichtigt, damit die wichtigsten Prozesse innerhalb gewisser Zeitschranken ausgeführt werden. = Es ist eine Vorhersagbarkeit des Prozessverhaltens implementiert. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 31

32 Zwei Arten von Echtzeitbetriebssystemen Typische Einsatzgebiete von Echtzeitbetriebssystemen: Mobiltelefone Industrielle Kontrollsysteme Roboter Zwei Arten von Echtzeitbetriebssystemen werden unterschieden: Harte Echtzeitsysteme Weiche Echtzeitsysteme Beispiele: QNX, VxWorks, LynxOS, Nucleus, Symbian und Windows CE Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 32

33 Harte Echtzeitsysteme Zeitvorgaben müssen unbedingt eingehalten werden. Verzögerungen können unter keinen Umständen akzeptiert werden. Verzögerungen können zu katastrophalen Folgen und hohen Kosten führen. Ergebnisse sind nutzlos wenn sie zu spät erfolgten. Einsatzbeispiele: Schweißroboter Reaktorsteuerung ABS Überwachungssysteme auf der Intensivstation Flugzeugsteuerung Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 33

34 Weiche Echtzeitsysteme Gewisse Toleranzen sind erlaubt. Verzögerungen führen zu geringen, akzeptablen Kosten. Einsatzbeispiele: Telefonanlage Parkschein- oder Fahrkartenautomat Multimedia-Anwendungen wie Audio/Video on Demand Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 34

35 Einzelprogrammbetrieb und Mehrprogrammbetrieb Betriebssysteme werden auch nach der Anzahl der gleichzeitig laufenden Programme klassifiziert: Einzelprogrammbetrieb (Singletasking: Es läuft zu jedem Zeitpunkt nur ein einziges Programm. Mehrere gestartete Programme werden nacheinander ausgeführt. Mehrprogrammbetrieb (Multitasking): Mehrere Programme können gleichzeitig (bei mehreren CPUs) oder zeitlich verschachtelt (quasiparallel) ausgeführt werden. Die CPU kann nicht nur am Ende eines Programms einem anderen Programm zugeteilt werden, sondern auch zwischen den Programmen wechseln. = Timesharing: Mehrere Benutzer arbeiten gleichzeitig am System. Der Begriff Task ist gleichzusetzen mit dem Begriff Prozess oder aus Anwendersicht Aufgabe bzw. Auftrag. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 35

36 Einzelbenutzerbetrieb und Mehrbenutzerbetrieb Betriebssysteme lassen sich auch nach der Anzahl der gleichzeitig am Computer arbeitenden Benutzer klassifizieren: Einzelbenutzerbetrieb (Single-User) Mehrbenutzerbetrieb (Multi-User) Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 36

37 Einzelbenutzerbetrieb (Single-User) Der Computer steht zu einer Zeit immer nur einem einzigen Benutzer zur Verfügung. Es gibt Single-User-Betriebssysteme mit Single- und mit Multitasking. Beispiele für Betriebssysteme mit Einzelbenutzerbetrieb sind u.a.: MS-DOS Windows 3x/95/98 OS/2 BeOS Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 37

38 Mehrbenutzerbetrieb (Multi-User) Mehrere Benutzer können gleichzeitig mit dem Computer arbeiten. Die Benutzer sind über Terminals oder Netzwerkverbindungen mit dem Computer verbunden. Die Benutzer teilen sich die Systemleistung. Die Benutzer müssen durch Paßwörter identifiziert werden. Zugriffe auf Daten und Prozesse anderer Benutzer müssen verhindert werden. Die Systemressourcen müssen möglichst gerecht verteilt werden. Beispiele: Linux/UNIX, MacOS-X,... Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 38

39 Einzelbenutzerbetrieb und Mehrbenutzerbetrieb (3) Die Desktop/Workstation-Versionen von Windows NT/XP/Vista sind nur halbe Multi-User-Betriebssysteme. Hier können verschiedene Benutzer nur nacheinander an einem Rechner arbeiten, aber die Daten und Prozesse der Benutzer sind voreinander geschützt. Single-User Singletasking MS-DOS Single-User Multitasking OS/2, Windows 3x/95/98, BeOS, MacOS 8x/9x Multi-User Multitasking Linux/UNIX, MacOS-X, Windows NT/2000 Terminal Server Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 39

40 Betriebssysteme für einen oder mehr Prozessoren (1) Betriebssysteme können auch nach der Anzahl der Hauptprozessoren unterschieden werden: Ein-Prozessor-Betriebssysteme Mehr-Prozessor-Betriebssysteme Ein-Prozessor-Betriebssysteme Für Computer mit einem Hauptprozessor (CPU). Singletasking-Betriebssysteme sind üblicherweise auch Ein-Prozessor- Betriebssysteme. Beispiel für ein Ein-Prozessor-Betriebssystem: DOS für Intel 80x86 Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 40

41 Betriebssysteme für einen oder mehr Prozessoren (2) Mehr-Prozessor-Betriebssysteme Für Computer mit mehr als nur einem Hauptprozessor. Jedem gestarten Prozess wird ein Hauptprozessor zugeteilt. Laufen mehr Prozesse, als Hauptprozessoren existieren, werden die Prozesse zeitlich verschachtelt (quasi-parallel) ausgeführt. Mehr-Prozessor-Betriebssysteme sind immer auch Multitasking- Betriebssysteme. Läuft ein Betriebssystem auf mehreren Hauptprozessoren (oder Systemen) verteilt, spricht man von einem verteilten Betriebssystem. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 41

42 Betriebssystemaufbau Ein entscheidendes Kriterium für den Aufbau eines Betriebssystems ist der eingesetzte Kernel (Kern). Unterschieden wird in Betriebssysteme mit: Monolithischem Kernel Minimalem Kern (Mikrokernel) Hybridkernel (Makrokernel) Die Kernelarchitekturen unterscheiden sich darin, ob die Funktionen, die sie dem Benutzer und seinen Applikationen anbieten, im Kernel enthalten sind, oder sich außerhalb des Kernels als Dienste (Server) befinden. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 42

43 Kernelarchitekturen Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 43

44 Monolithische Betriebssysteme (1) Monolithische Betriebssysteme haben im einfachsten Fall keine geordnete Struktur. Sie bestehen aus Funktionen, die sich beliebig gegenseitig aufrufen und beliebig auf interne Daten zugreifen können. Der Kernel enthält neben den Funktionen für Speicher- und Prozessverwaltung und Prozesskommunikation auch Hardware-Treiber und eventuell Treiber für die unterstützten Dateisysteme. Vorteilhaft ist die höhere Geschwindigkeit gegenüber Mikrokerneln. Nachteilig ist, dass abgestürzte Komponenten im Kernel nicht separat neu gestartet werden und das gesammte System nach sich ziehen können. Der Entwicklungsaufwand für Erweiterungen am Kernel ist hoch, da dieser bei jedem Kompilieren komplett neu übersetzt werden muss. Mikrokernel-Systeme sind in der Regel nicht stabiler als monolithische Systeme (gewachsene Stabilität). Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 44

45 Monolithische Betriebssysteme (2) Unstrukturiert Minimale Struktur Funktion 1 Funktion 2 Aufruf Funktion 3 Systemschnittstelle Systemfunktion 1 Hauptfunktion... Systemfunktion n Funktion 5 Funktion 3 Hilfsfunktion 1... Hilfsfunktion n Hardwareschnittstelle Beim Linux-Kernel ist es möglich, Treiber für Hardware und Dateisysteme in Module auslagern. Diese Module laufen jedoch im Kernel-Modus (kernel space). Darum ist der Linux-Kernel nach wie vor ein monolithischer Kernel. Betriebssysteme mit monolithischen Kerneln sind u.a: Linux, BSD, MS-/DR-DOS, Windows 95/98/ME, MacOS (bis 8.6), OS/2 Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 45

46 Monolithische Betriebssysteme Schalen (1) Betriebssysteme folgen einem Ordnungsprinzip. Monolithische Betriebssysteme werden mit ineinanderliegenden Schalen, die von innen nach außen immer abstraktere, mächtigere Funktionen enthalten, logisch strukturiert. Das Minimum sind drei Schalen: Die innerste Schale enthält immer die hardwareabhängigen Teile des Betriebssystems. So können Betriebssysteme (theoretisch!) leicht an unterschiedliche Rechnerarchitekturen angepasst werden. Die mittlere Schale enthält den Kernel und grundlegende Ein- /Ausgabe-Dienste (Bibliotheken und Schnittstellen) für Geräte und Daten. Die äußerste Schale enthält die Anwendungsprogramme und die Benutzerschnittstelle. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 46

47 Monolithische Betriebssysteme Schalen (2) In der Regel stellt man monolithische Betriebssysteme mit mehr als drei logischen Schichten (Schalen) dar. Jede Schicht ist vergleichbar mit einer abstrakten Maschine, die mit ihren benachbarten Schichten über wohldefinierte Schnittstellen kommuniziert und Funktionen der nächsten Schicht nach innen aufruft und Funktionen der nächsten Schicht nach außen zur Verfügung stellen kann. Alle Funktionen (Dienste), die eine Schicht anbietet, und die Regeln, die bei der dabei einzuhalten sind, wird als Protokoll bezeichnet. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 47

48 Monolithische Betriebssysteme Schalen (3) Schicht 3 Benutzer, Anwendungsprogramme Erzeugen und initialisiere Datei Schicht n... Schicht 2 Schicht 1 Schicht 2 Hardware Belege freie Blöcke auf der Festplatte initialisieren Blöcke auf der Festplatte Initialisiere Verzeichniseintrag Schicht 1 Block in den Hauptspeicher lesen Bytes in den Block schreiben Block auf die Festplatte schreiben Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 48

49 Schalenstruktur von Linux/UNIX Hardware A B C D E A B C D E Kernel (maschinenabhängiger Teil) Kernel (maschinenunabhängiger Teil) Standardbibliothek Shell, Anwendungsprogramme Benutzer (Anwendungsprogramme) Hardwareschnittstelle kernelinterne, hardwareunabhängige Schnitststelle Kernel- / Systemschnittstelle Bibliothekenschnittstelle / C-Schnittstelle Benutzerschnittstelle Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 49

50 Minimale Kerne Mikrokernel-Betriebssysteme Bei Betriebssystemen mit Mikrokernel befinden sind im Kernel üblicherweise nur: Notwendigste Funktionen zur Speicher- und Prozessverwaltung. Funktionen zur Synchronisation und Prozesskommunikation. Gerätetreiber und Dienste (Server), befinden sich außerhalb des Kernels und laufen wie die Anwendungsprogramme auf Benutzererebene. Theoretisch sind Mikrokernel durch ihr klares Interface-Design und die Austauschbarkeit der Komponenten monolithischen Kerneln überlegen. In der Praxis bieten Mikrokernel durch die vielen Kontextwechsel eine schlechtere Performance. Mikrokernel sind in der Entwicklung komplex und unübersichtlich. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 50

51 Mikrokernel-Betriebssysteme Der Anfang der 1990er Jahre prognostizierte Erfolg der Mikrokernelsysteme ist nicht eingetreten. = Diskussion von Linus Torvalds vs. Andrew S. Tanenbaum (1992) Betriebssysteme mit Mikrokerneln sind u.a: Windows NT (bis 3.5.1) AmigaOS MorphOS Tru64 QNX Neutrino Symbian OS GNU HURD Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 51

52 Monolithischer Kernel vs. Mikrokernel Anwendungsprogramme Eingabe-/Ausgabeschnittstelle Benutzerinterface (GUI) Anwendungsprogramme Monolithischer Kernel Grafiksubsystem Eingabe-/Ausgabeschnittstelle Mikrokernel Dateisysteme Gerätetreiber Netzwerktreiber Netzwerktreiber Grafiktreiber Dateisysteme Gerätetreiber Hardware Hardware Wichtig: Beim Mikrokernel laufen die Systemkomponenten außerhalb des Kernels genau wie die Anwendungen in geschützten, abgetrenten Speicherbereichen = Prinzipiell hohe Stabilität und Sicherheit möglich. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 52

53 Hybridkernel bzw. Makrokernel Hybridkernel, auch Makrokernel genannt, sind ein Kompromiss zwischen monolithischen Kerneln und Mikrokerneln. Hybridkernel basieren auf dem Konzept der Mikrokernel, enthalten aber aus Geschwindigkeitsgründen einige Komponenten, die bei Mikrokernelsystemen außerhalb des Kernels liegen. Es ist nicht festgelegt, welche Komponenten bei Systemen mit Hybridkerneln zusätzlich in den Kernel einkompiliert sind. Die Vor und Nachteile von Hybridkerneln zeigt Windows NT 4: Das Grafiksystem ist bei Windows NT 4 im Kernel enthalten. Vorteil: Steigerung der Performance. Nachteil: Fehlerhafte Grafiktreiber führen häufig zu Abstürzen. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 53

54 Fazit zu Hybridkerneln Hybridkernel bieten eine höhere Geschwindigkeit als Mikrokernel. Die Stabilität bei Hybridkerneln ist theoretisch höher als die von monolithischen Kerneln. Betriebssysteme mit Hybridkernel sind u.a: Windows NT 4.0/200x/XP/Vista MacOS-X BeOS, ZETA, Haiku Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 54

55 Betriebssystem-Schnittstellen (1) Aus Benutzersicht stellt ein Betriebssystem zwei Schnittstellen bereit: Kommandozeilenschnittstelle Systemaufrufschnittstelle Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 55

56 Betriebssystem-Schnittstellen (2) Kommandozeilenschnittstelle Über die Kommandozeilenschnittstelle können Befehle eingegeben werden. Die Befehle werden von der Kommandozeilenschnittstelle interpretiert. In den meisten modernen Desktop-Betriebssystemen haben grafische Benutzeroberflächen die Kommandozeilenschnittstelle weitestgehend ersetzt. Systemaufrufschnittstelle (System-Call-Schnittstelle) Die Systemaufrufschnittstelle ermöglicht es Programmen (Prozessen) elementare Dienste aufgerufen, die das Betriebssystem bereit stellt. Die Systemaufrufschnittstelle ist eine Programmierschnittstelle zum Betriebssystem (API). Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 56

57 Betriebssystem-Schnittstellen (3) Ein Betriebssystemaufruf (System-Call) schaltet den Prozessor vom normalen Modus User Mode (Benutzermodus) in den priviligierten Kernel Mode (Kernel-Modus). Dieser Vorgang wird Moduswechsel genannt. Grund, warum es User Mode und Kernel Mode gibt: Anwendungen soll der Zugriff auf Hardware und andere wichtige Funktionalitäten erlaubt werden, obwohl diese ausschließlich dem Betriebssystem zur Verfügung stehen. Dieses Konzept ist Voraussetzung, um Speicherbereiche voneinander abzutrennen und die Sicherheit und Stabilität zu erhöhen. Ohne die Unterscheidung von User Mode und Kernel Mode könnten fehlerhafte Anwendungen direkt auf die Speicherbereiche zugreifen, in denen das Betriebssystem ausgeführt wird. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 57

58 Linus Torvalds vs. Andrew S. Tanenbaum (1992) 26. August 1991: Linus Torvalds kündigt das Projekt Linux in der Newsgroup comp.os.minix an. 17. September 1991: Erste interne Version (0.01). 5. Oktober 1991: Erste offizuelle Version (0.02). 29. Januar 1992: Andrew S. Tanenbaum schreibt in der Newsgroup comp.os.minix zum Thema Linux: LINUX is obsolete. Linux hat einen monolithischen Kernel = Rückschritt. Linux ist nicht portabel genug, weil auf 80386er optimiert und diese Architektur wird demnächst von RISC-Prozessoren abgelöst (Irrtum!) Was folgt ist eine mehrere Tage lange, zum teil sehr heftig und emotional geführte Diskussion, über die Vor- und Nachteile von monolithischen Kernel und Mikrokerneln, Portabilität und freier Software. Wer von beiden hatte recht im Nachhinein gesehen? Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 58

59 Ein trauriges Kernel-Beispiel HURD Das GNU-Projekt wurde 1983 gegründet, mit dem Ziel, das GNU-System zu entwickeln, ein vollständiges UNIX-Betriebssystem, bestehend aus: GNU Mach, der Mikrokernel. GNU Hurd, die Server (Dienste), die auf der Benutzererebene laufen und die Dateisysteme, Protokolle, usw. enthalten. GNU Software, die notwendigen Werkzeuge. Dazu gehören die GNU Compiler Collection, die Bash und der Editor GNU Emacs. Das GNU-Betriebssystem, dass häuftig auch einfach als HURD bezeichnet wird, ist noch nicht fertig, da noch nicht alle Server fertig implementiert sind. Die GNU Software ist seit Anfang der 1990er Jahre weitgehend fertig. Zusammenfassend kann man sagen: Das System ist so weit fertig. Es fehlt nur noch der (Mikro-)Kernel mit seinen Server (Diensten). Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 59

60 Ein extremes Kernel-Beispiel Der Web-Server Tux Im Jahr 2000 entwickelte Ingo Molnár von RedHat für den Linux Kernel 2.4.x einen kernel-basierten Web-Server mit dem Namen Tux. Vorteil: Ein Web-Server im Kernel, beschleunigt die Auslieferung von statischen(!) Web-Seiten ungemein, da keine Moduswechsel zwischen User und Kernel-Mode notwendig sind und die Daten direkt aus dem Arbeitsspeicher an die Netzwerkkarte gesendet werden können. Nachteil: Die Trennung von User Mode und priviligiertem Kernel Mode besteht nicht ohne Grund. Eine komplexe und tendentiell anfällige Software wie ein Web-Server im Kernel ist ein großes Sicherheitsrisiko. Angriffe auf den Web-Server könnten zu Systemabstürzen oder gar der vollständigen Kontrollübernahme durch den Angreifer führen. In Linux Kernel 2.6.x ist der Web-Server Tux nicht mehr enthalten. Was ist wichtiger? Geschwindigkeit oder Sicherheit? Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 60

61 Von-Neumann-Architektur (1) Idee und Aufbau des klassischen Universalrechners, der nicht an ein festes Programm gebunden ist und über Ein-/Ausgabegeräte verfügt, entwickelte John von Neumann Nach ihm ist die so genannte Von-Neumann- Architektur, bzw. der Von-Neumann-Rechner, benannt. In einem Von-Neumann-Rechner werden Daten und Programm binär codiert und liegen im gleichen Speicher. Die wesentlichen Ideen der Von-Neumann-Architektur wurden bereits 1936 von Konrad Zuse ausgearbeitet und 1937 in der Zuse Z1 realisiert. Von Neumanns Verdienste sind, dass er als erster wissenschaftlich, mathematisch sich mit der Konstruktion von Rechenmaschinen beschäftigte, sowie die Urheberschaft am seriellen (sequentiellen) Prinzip. Von-Neumann-Rechner arbeiten sequentiell. Die Befehle werden nacheinander aus dem Speicher geholt, interpretiert, ausgeführt und anschließend wird das Resultat abgespeichert. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 61

62 Der Hauptprozessor Die CPU Der Hauptprozessor, die Central Processing Unit (CPU), ist das Herzstück eines jeden modernen Computersystems. Die meisten Komponenten eines Computersystems sind passiv und werden durch die CPU gesteuert. Programme sind Folgen von Maschineninstruktionen, die in aufeinanderfolgenden Speicheradressen abgelegt sind. Bei der Programmausführung, setzt die CPU, die Maschineninstruktionen Schritt für Schritt um. Eine CPU besteht aus mindestens 3 Komponenten: Rechenwerk Steuerwerk Registersatz Die CPU greift über das Bus-Interface auf den Systembus zu. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 62

63 Komponenten der CPU Rechenwerk bzw. Arithmetic Logic Unit (ALU) Beim Rechenwerk handelt es sich um ein Schaltwerk zur Manipulation von Daten und Adressen, in dem alle logischen und mathematischen Operationen durchgeführt werden. Steuerwerk bzw. Befehlswerk (Control Unit) Hier befindet sich das Befehlsregister, das alle Befehle enthält, die die CPU ausführen kann. Das Befehlswerk ist ein Schaltwerk, dass für die Interpretation von Befehlen, Koordination der anderen CPU-Komponenten, Steuerung der Ein-/Ausgabe-Einheiten und den Steuerbus zuständig ist. Registersatz (Daten- und Spezialregister). Speicherzellen (Register), die der kurzfristigen Speicherung von Operanden und Adressen dienen. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 63

64 Von-Neumann-Architektur (2) Prozessor und Speicher kommunizieren über einen Bus direkt miteinander. Befehle und Daten müssen über diesen Bus transportiert werden. Speicherwerk (Speicher) Eingabe Bus Rechenwerk Ausgabe Steuerwerk CPU Zentraleinheit Daten und Befehle Steuerleitungen Auch heute folgen die meisten gängigen Mikroprozessoren und Rechnersysteme teilweise dem Von-Neumann-Prinzip. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 64

65 Die Busleitungen (1) Die Komponenten eines modernen Rechnersystems sind durch drei digitale Busse verbunden: Steuerbus: Koordiniert Lese- und Schreibanweisungen zwischen den Komponenten des Computersystems. Adreßbus: Dient dem Ansprechen von Speicherzellen. Über den Adreßbus werden die einzelnen Datenzellen des Speichers oder der Eingabe-/Ausgabegeräte adressiert. Die Breite des Busses (Anzahl der digitalen Signalleitungen) legt die maximale Anzahl der adressierbaren Zellen fest. Hat der Adreßbus eine Busbreite von 32 Bit bedeutet das, das 2 32 Speicherzellen, also ca. 4 Gigabyte Speicher adressierbar sind. Datenbus: Dient dem Datenaustausch. Die Breite des Datenbusses legt fest, wie viele Taktzyklen die Übertragung eines Datums mit einer bestimmten Länge benötigt. Einige Bussysteme: PCI, IDE, SCSI, Firewire, USB... Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 65

66 Takt Mikroprozessor (CPU) Befehlswerk Die Busleitungen (2) Steuerbus Adressbus Rechenwerk Datenbus Speicher Ein-/Ausgabe Peripherie Geräte werden wegen der vielen unterschiedlichen technologischen Realisierungen der Geräte nicht direkt mit dem Prozessor verbunden. Eingabe-/Ausgabecontroller treten als Vermittler zwischen den Geräten und dem Prozessor auf. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 66

67 Busse in modernen Rechersystemen Die verbindende Element ist die PCI-Bridge, die auch einfach als Chipsatz bezeichnet wird. Sie besteht aus zwei Komponenten: Die Northbridge liegt dicht an der CPU, um Daten schnell übertragen zu können. Sie ist für Speicherzugriffe und die Grafikkarte zuständig. Die Southbridge ist für langsamere Verbindungen wie PCI, ISA, SATA, USB, Firewire, usw. zuständig. Cache Prozessor (CPU) PCI-Bridge (Chipsatz) Northbridge Southbridge Hauptspeicher USB Universal Serial Bus Grafikkarte Netzwerkkarte ISA-Bridge Monitor... IDE-Geräte Festplatten, CD/DVD,... Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 67

68 Der Speicher (1) Der Speicher nimmt Daten und die auszuführenden Programme auf. Der Speicher bildet durch Busse verbunden eine Hierarchie. = Speicherpyramide. Der Grund für die Speicher-Hierarchie liegt im Preis/Leistungsverhältnis. = Je schneller ein Speicher ist, desto teurer und knapper ist er. Speicher wird unterschieden in: Primärspeicher: Darauf kann der Hauptprozessor direkt zugreifen. Sekundärspeicher: Hierbei handelt es sich um Hintergrundspeicher, der über einen Controller angesprochen wird. Tertiärspeicher: Dieser Speicher ist nicht dauerhaft verfügbar, oder nur über ein Laufwerk mit dem Computer verbunden. Hauptaufgabe des Tertiärspeicher ist Archivierung. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 68

69 Die Speicherpyramide Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 69

70 Der Speicher (2) Primärspeicher und Sekundärspeicher werden auch als Onlinespeicher bezeichnet, da sie eine feste Verbindung zum Computer und dadurch geringe Zugriffszeiten auf die Daten haben. Tertiärspeicher wird unterschieden in: Nearlinespeicher: Werden automatisch und ohne menschliches Zutun dem System bereitgestellt (z.b. Band-Library). Offlinespeicher: Medien werden in Schränken oder Lagerräumen aufbewahrt und müssen von Hand in das System integriert werden. Streng genommen sind Wechselfestplatten (Sekundärspeicher) auch Offlinespeicher. Speicher wird auch in RAM und ROM unterschieden: RAM (Random Access Memory): flüchtiger Lese- und Schreibspeicher. ROM (Read-Only Memory): nicht flüchtiger Lesespeicher. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 70

71 Arbeitsweise der Speicherhierarchie (1) Beim ersten Zugriff auf ein Datenelement, wird eine Kopie erzeugt, die entlang der Speicherhierarchie nach oben wandert. Schicht 1 Kopie Schicht n-2 Kopie Schicht n-1 Kopie Schicht n Original Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 71

72 Arbeitsweise der Speicherhierarchie (2) Wird das Datenelement verändert, werden die Änderungen nach unten durchgereicht (zurückgeschrieben). Schicht 1 Kopie Schicht n-2 Kopie Schicht n-1 Kopie Schicht n Original Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 72

73 Cache-Schreibstrategien (1) Für Schreibzugriffe auf den Cache gibt es zwei Möglichkeiten: Write-Back: Schreibzugriffe werden nicht direkt an die tieferen Speicherebene weitergegeben. Dadurch kommt es zu Inkonsistenzen zwischen den Daten im Cache und auf dem zu cachenden Speicher. Die Daten werden erst zurückgeschrieben, wenn der betreffende Datenblock aus dem Cache verdrängt wird. = Zurückschreiben Vorteil: Höhere System-Geschwindigkeit. Nachteil: Daten können beim Systemausfall verloren gehen. Write-Through: Schreibzugriffe werden sofort an die tieferen Speicherebene weitergegeben. = Durchschreiben Vorteil: Datenkonsistenz ist gesichert. Nachteil: Geringere System-Geschwindigkeit. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 73

74 Cache-Schreibstrategien (2) Wenn Änderungen in einem Datenblock zurückgeschrieben werden, dann müssen die Kopien des Datenblocks auf allen Ebenen auf den aktuellen Stand gebracht werden, um Inkonsistenzen zwischen den verschiendenen Ebenen zu vermeiden. Die Änderungen können nicht direkt auf die unterste Ebene (zum Original) durchgereicht werden! Schicht 1 Kopie Schicht n-2 Kopie Schicht n-1 Kopie Schicht n Original Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 74

75 Register, Cache und Hauptspeicher (1) Die Register in der CPU enthalten die Daten, auf die die CPU sofort zugreifen kann und sind genauso schnell getaktet wie die CPU selbst. Die Kapazität der Register ist in der Regel 1 Kbyte. Die Entscheidung, was in den Registern gespeichert wird, fällen die laufenden Programme. Der Cache (Pufferspeicher) enthält Kopien von Teilen des Arbeitsspeichers um den Zugriff aud diese Daten zu beschleunigen. Der Cache ist oft in 2 oder 3 Ebenen verteilt. Die erste Ebene, der First Level Cache, ist der CPU am nächsten plaziert. Er ist in die CPU-Architektur integriert. Die zweite Ebene, der Second Level Cache, ist langsamer und größer und befindet sich außerhalb der CPU (auf dem Mainboard). Die Entwicklung geht dahin, dass immer häufiger der Second Level Cache in die CPU-Architektur integriert wird, was zur Umbenennung des externen Cache in Third Level Cache führte. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 75

76 Register, Cache und Hauptspeicher (2) Typische Kapazitäten der Cache-Ebenen: First Level Cache: 4 Kbyte bis 256 Kbyte. Second Level Cache: 256 Kbyte bis 4 Mbyte. Third Level Cache: 1 Mbyte bis 16 Mbyte. Der Hauptspeicher, auch Arbeitsspeicher oder RAM (Random Access Memory) hat aktuell Größen von wenigen hundert Mbyte bis mehreren GByte. Alle Anfragen der CPU, die nicht vom Cache beantwortet werden können, werden an den Hauptspeicher weitergeleitet. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 76

77 Lokalitätsausnutzung Cache ist schneller, teurer und knapper Speicher, der nie alle Daten gleichzeitig vorrätig gespeichert haben kann. Die Entscheidung, welche Daten im Cache gehalten werden, ist von den Lokalitätseigenschaften der Zugriffe abhängig: Zeitliche Lokalität: Bei Schleifen z.b. ist es wahrscheinlich, dass sich Zugriffe auf Daten mehrmals wiederholen. Diese Daten sollten also bevorzugt im Cache gehalten werden. Ältere Daten müssen aus Platzgründen aus dem Cache verdrängt werden. = Verdrängung Räumliche Lokalität: Die Wahrscheinlichkeit, dass Daten in benachbarten Adressbereichen zusammengehören ist hoch. Wegen der räumlichen Lokalität speichert man bei Caches nicht einzelne Bytes sondern die Daten ganzer Adressbereiche. = Cache-Block (starker Einfluß auf die Systemleistung!) Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 77

78 Cache-Hit und Cache-Miss Bei einer Daten-Anfrage an den Cache sind zwei Ergebnisse möglich: Cache-Hit: Die am Cache angefragten Daten sind vorhanden (Treffer). Cache-Miss: Die am Cache angefragten Daten sind nicht vorhanden (verfehlt). Um die Effizienz eines Caches zu bewerten existieren zwei Kennzahlen: Hitrate: Anzahl der Anfragen an den Cache mit Ergebnis Cache- Hit, geteilt durch die Gesamtanzahl der Anfragen. Das Ergebnis liegt zwischen Null und Eins. Je höher der Wert, desto höher ist die Effizienz des Caches. Missrate: Anzahl der Anfragen an den Cache mit Ergebnis Cache-Miss, geteilt durch die Gesamtanzahl der Anfragen. Missrate = 1 Hitrate. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 78

79 Grundlagen zum Speicher und Speicherverwaltung Bislang haben wir bzgl. Speicher geklärt: Der Speicher nimmt Daten und die auszuführenden Programme auf. Der Speicher bildet eine Hierarchie (= Speicherpyramide). Der Grund für die Speicher-Hierarchie liegt im Preis/Leistungsverhältnis. Je schneller ein Speicher ist, desto teurer und knapper ist er. Beim ersten Zugriff auf ein Datenelement, wird eine Kopie erzeugt, die entlang der Speicherhierarchie nach oben wandert. Da die obersten Speicherebenen praktisch immer voll belegt sind, müssen Daten verdrängt werden, um Platz zu schaffen. Wird ein Datenelement im Speicher verändert, müssen die Änderungen nach unten durchgereicht (zurückgeschrieben) werden. Es ist zu klären: Wie wird der Speicher angesprochen und wie funktioniert die Speicherverwaltung (Scheduling und Swapping)? Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 79

80 Cache-Datenverwaltung Ersetzungsstrategien Es ist sinnvoll, immer nur die Datenblöcke (Seiten) im Cache zu halten, auf die häufig zugegriffen wird. Gängige Gängige Ersetzungsstrategien orientieren sich neben der Größe auch am Zeitpunkt des letzten Aufrufs. Einige der wichtigsten Ersetzungsstrategien sind: OPT (Optimale Strategie) LRU (Least Recently Used) LFU (Least Frequently Used) FIFO (First In First Out) TTL (Time To Live) Random WS (Working Set) Climb Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 80

81 Optimale Strategie (OPT) Die Ersetzungsstrategie Optimal verdrängt den Datenblock aus dem Speicher, der am längsten nicht gebraucht, also auf den am längsten in der Zukunft nicht zugegriffen wird. Diese Strategie ist nur anwendbar, wenn der komplette Programmablauf, also die zukünftige Verwendung der Datenblöcke im Speicher im voraus bekannt ist. Die optimale Strategie ist leider utopisch und nicht zu implementieren! Da niemand in die Zukunft sehen kann, müssen wir die Vergangenheit berücksichtigen. Die optimale Strategie hat durchaus ihre Berechtigung, um die Effizienz anderer Ersetzungsstrategien mit ihr zu vergleichen. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 81

82 Prinzip der optimalen Strategie Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 82

83 Least Recently Used (LRU) Least Recently Used ist eine der häufigsten Ersetzungsstrategien. Es wird immer der Datenblock aus dem Cache verdrängt, auf den am längsten nicht mehr zugegriffen wurde. Alle Datenblöcke im Cache werden in einer Warteschlange eingereiht. Ist der Cache voll und es kommt zu einem Cache-Miss, muss ein Datenblock aus dem Cache entfernt (ausgelagert) werden. Ausgelagert wird immer der Datenblock am Anfang der Warteschlange. Wird ein Datenblock in den Cache geschrieben oder referenziert, wird er am Ende der Warteschlange eingereiht. Vorteil: Einfach zu implementieren, liefert sehr gute Resultate und verursacht wenig Overhead. Nachteil: Es wird nicht berücksichtigt, wie oft auf einen Datenblock zugegriffen wurde. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 83

84 Prinzip von Least Recently Used (LRU) Warteschlange Ende A E G X B A E G C B A E D E F G E wird referenziert Cache-Hit C D F G G wird referenziert Cache-Hit B C D F X wird referenziert Cache-Miss (H wird verdrängt) A B C D Anfang H H H F Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 84

85 Beispiel für Least Recently Used (LRU) Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 85

86 Least Frequently Used (LFU) Es wird der Datenblock wird aus dem Cache verdrängt, auf den am wenigsten zugegriffen wurde. Für jeden Datenblock im Cache wird in der Seitentabelle ein Referenzzähler geführt, der die Anzahl der Zugriffe speichert. Jeder Zugriff erhöht den Referenzzähler. Ist der Cache voll und es kommt zu einem Cache-Miss, wird der Datenblock aus dem Cache entfernt (ausgelagert), auf den am wenigsten zugegriffen wurde bzw. desses Referenzzähler den geringsten Wert hat. Vorteil: Relativ einfach zu implementieren und berücksichtigt die Zugriffshäufigkeit eines Datenblocks. Nachteil: Datenblöcke, auf die in der Vergangenheit häufig zugegriffen wurde, können den Cache blockieren. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 86

87 Prinzip von Least Frequently Used (LFU) Cache A 5 A 5 A 6 A 6 B 3 B 3 B 3 B 3 C 7 C 7 C 7 C 7 D E F G E wird referenziert Cache-Hit D E F G A wird referenziert Cache-Hit D E F G X wird referenziert Cache-Miss (G wird verdrängt) D E F X 1 H 8 H 8 H 8 H 8 Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 87

88 First In First Out (FIFO) Bei der Ersetzungsstrategie First In First Out wird immer derjenige Datenblock aus dem Cache verdrängt, der sich am längsten im Speicher befindet. Die Ersetzungsstrategie FIFO zeigt ein sehr ungünstiges Verhalten. Nur weil auf einen Datenblock länger nicht mehr zugegriffen wurde, heißt das nicht, dass er nin naher Zukunft nicht mehr verwendet wird. Laszlo Belady zeigte 1969 in seiner Anomalie, dass unter sehr ungünstigen Umständen FIFO bei einem größeren Speicher sogar zu mehr Zugriffsfehlern (Miss) führt, als bei einem kleinen Speicher (Belady s Anomalie). Ursprünglich ging man davon aus, dass eine Vergößerung des Speichers immer zu weniger oder schlechtestenfalls gleich vielen Zugriffsfehlern führt. Bis zur Entdeckung von Belady s Anomalie hielt man FIFO für eine gute Ersetzungsstrategie. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 88

89 Belady s Anomalie (1969) Cache-Anfrage: Datenblock: Datenblock: Datenblock: Fehler 1. Datenblock: Datenblock: Datenblock: Datenblock: Fehler Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 89

90 Weitere Ersetzungsstrategien TTL (Time To Live): Jedem Datenblock wird bei der Erzeugung eine Lebenszeit zugeordnet. Ist diese überschritten, kann der Datenblock aus dem Cache verdrängt werden. Random: Ein zufälliger Datenblock wird aus dem Cache verdrängt. WS (Working Set): Alle Datenblöcke, die in einem bestimmten Zeitfenster von einem Prozess verwendet wurden, das sogenannte Working Set, werden verdrängt. Climb: Datenblöcke werden immer hinten an den Cache angehängt. Bei jedem Zugriff auf einen Datenblock, steigt dieser eine Ebene nach oben. Muss ein Datenblock verdrängt werden, wird der letzte verdrängt. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 90

91 Festplatten Festplatten sind ca. Faktor 100 preisgünstiger pro Bit als Hauptspeicher und bieten ca. Faktor 100 mehr Kapazität. Nachteil: Zugriffe auf Festplatten sind um ca. Faktor 1000 langsamer. Grund für die geringere Zugriffsgeschwindigkeit ist, dass Festplatten mechanische Geräte sind, die eine oder mehrere mit 4200, 5400, 7200, oder Umdrehungen pro Minute rotierende Scheiben enthalten. Für jede Seite jeder Platte existiert ein Schwungarm mit einem Schreib-/Lesekopf, der Bereiche der Scheibenoberfläche unterschiedlich magnetisiert und so die Daten auf die Festplatte schreibt bzw. von ihr liest. Zwischen Platte und Kopf ist ein Luftpolster von ca 20 Nanometern. Auch Festplatten haben einen Cache, der Schreib- und Lesezugriffe auf den Datenträger puffert. Der Festplattencache befindet sich auf der Steuerplatine und ist zwischen 1 und 32 MB groß. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 91

92 Logischer Aufbau von Festplatten (1) Die Magnetisierung der Scheiben wird auf kreisförmigen, konzentrischen Spuren (tracks) von den Köpfen auf beiden Seiten aufgetragen. Alle gleichen, also übereinander befindlichen Spuren der einzelnen Plattenoberflächen bezeichnet man als Zylinder (cylinder). Die Spuren werden in kleine logische Einheiten (Kreissegmente) unterteilt, die man Blöcke oder Sektoren nennt. Typischerweise enthält ein Block 512 Byte Nutzdaten. Blöcke sind die kleinsten adressierbaren Einheiten auf Festplatten. Müssen Daten in einem Block geändert werden, muss der ganze Block gelesen und neu geschrieben werden. Heute werden auf Softwareseite Cluster angesprochen. Dabei handelt es sich um Verbünde von Blöcken mit fester Größe, z.b. 4 oder 8 KB. Die Cluster sind sinnvollerweise physisch benachbart. Bei modernen Betriebssystemen sind Cluster die kleinste Zuordnungseinheit. Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 92

93 Logischer Aufbau von Festplatten (2) Alle Spuren auf allen Platten bei einer Position des Schwungarms bilden einen Zylinder. Spur Block Kopf 0 Kopf 1 Kopf 2 Kopf 3 Kopf 4 Kopf 5 Zylinder Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 93

94 Logischer Aufbau von Festplatten (3) Systemsoftware (SYS) Hochschule Mannheim Folie 94