Datenverarbeitung (DV 1)

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1 Inhaltsverzeichnis Datenverarbeitung (DV 1) DATENVERARBEITUNG (DV 1) BETRIEBSSYSTEME AUFGABEN EINES BETRIEBSSYSTEMS Abstraktion: Plattform für Anwendungsprogramme: Koordination und Zuteilung von Betriebsmitteln Schutz aktiver Benutzer Bedienschnittstelle für Systemverwalter und Benutzer: Struktur eines Standard - Betriebssystems Aufgaben von einem Echtzeitbetriebssystem Taskverwaltung Betriebsmittelverwaltung Interprozesskommunikation Synchronisation Schutzmaßnahmen Kernaufgaben eines Echtzeitbetriebssystems Schichtenmodelle Betriebssystemkern PROZESSE Mehrprozessbetrieb Prozessverwaltung Taskzustände Zeitparameter Zustandsinformation Prozesskommunikation Ablaufplanung (Scheduling) Vergabe von Betriebsmitteln Bekannte Zuteilungsstrategien Speicherverwaltung Systeme ohne Mehrprozessbetrieb Systeme mit Mehrprozessbetrieb Adressübersetzung mit Hardware-Unterstützung Ein-/Ausgabe Architektur und Realisierung von Betriebssystemen Verschiedene Arten von Betriebssystem-Architekturen Betriebssystemaufrufe DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-1 von 39 Rüdiger Siol

2 6 Betriebssysteme 1 Die Architektur einer Rechenanlage kann vereinfacht durch die von Neumann 2 Architektur dargestellt werden. SISD Von-Neumann-Rechner Operanden Rechenwerk Ergebnisse Steuerwerk Befehle Speicherwerk Eingabe Speicher Ausgabe (r.siol) Hochschule Ravensburg-Weingarten Technik Wirtschaft Sozialwesen 2 Befehle werden einzeln der Reihe nach ausgeführt und bearbeiten einzelne Datenworte. SISD bedeutet Single Instruction, Single Data. Eine solche Anlage heißt programmgesteuert ; Befehlsfolgen sind als Programme abgespeichert. Der Zugriff auf die Befehle und Daten erfolgt über Adressen. Die horizontale gestrichelte Linie ist die Schnittstelle zu allen Systemkomponenten, man bezeichnet das als Bussystem. 1 Volker Claus, Andreas Schwill; Schülerduden Informatik; Dudenverlag 2 Johann Baron von Neumann, amerikanischer Mathematiker ungarischer Herkunft, *Budapest , Washington (D.C.) In den 40er Jahren entwickelte er die Idee der programmgesteuerten elektronischen Rechenanlage, zu deren technischer Realisierung in Gestalt von ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) er Wesentliches beisteuerte. Er verbesserte diesen von Eckert & Mauchly entwickelten Rechner insbesondere dessen mathematische Logik. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-2 von 39 Rüdiger Siol

3 Bussysteme Grundlegender Aufbau von Bussen und Ankopplung von Busteilnehmern. Prozessorkarte Speicherkarte Speicherkarte E/A- Einheit Bus- Steuer- Einheit Subsystem- Schnittstelle Bus-SS Bus-SS Bus-SS Bus-SS Bus-SS Versorgungsbus Steuerbus Adreßbus Datenbus (r.siol) Hochschule Ravensburg-Weingarten Technik Wirtschaft Sozialwesen 32 Betriebssystem (seltener Systemsoftware; engl. operating system): Zusammenfassende Bezeichnung für alle Programme, die die Ausführung der Benutzerprogramme, die Verteilung der Betriebsmittel auf die einzelnen Benutzerprogramme, die Durchführung von Statistiken, die Verwaltung von Kosten, die Synchronisation und Kooperation mit anderen Rechnern und die Aufrechterhaltung der Betriebsart steuern und überwachen. Wer ein Programm auf einer Rechenanlage ausführen möchte, braucht sich in der Regel nicht darum zu kümmern, an welcher Stelle des Speichers das Programm während der Ausführung steht, wie und wo Daten abgelegt werden, in welcher Reihenfolge verschiedene Programme ablaufen, wie die Verbindung zu anderen Rechnern hergestellt wird oder wie die Programme und Daten vor fremdem Zugriff geschützt werden. Diese und viele weitere Verwaltungsaufgaben übernimmt das Betriebssystem. Die drei wichtigsten Komponenten sind Organisationsprogramme, Übersetzungsprogramme und Dienstprogramme. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-3 von 39 Rüdiger Siol

4 Organisationsprogramme übernehmen in der Speicherverwaltung folgende Aufgaben: o Kontrolle aller im System vorkommenden Speicher, o Zuteilung von Speicher an Benutzerprogramme, o Organisation von Speicherhierarchien. Die Organisationsprogramme der Prozessorverwaltung veranlassen die Zuteilung des Prozessors an eines der zu bearbeitenden Programme. Die Organisationsprogramme der Geräteverwaltung koordinieren o die Auswahl und Bereitstellung der für Eingabe bzw. Ausgabe geeigneten Geräte, o die Anpassung an spezielle physikalische Eigenschaften der Geräte, o die Überwachung der Datenübertragung zwischen Programm und Gerät. Die Organisationsprogramme zur Kommunikation steuern o den Auf- und Abbau von Verbindungen in Rechnernetzen, o die Anpassung an Kommunikationsstandards (Protokoll), o die Entgegennahme und Weiterleitung von Nachrichten, Dateien usw. (elektronische Post) o sowie weitere Dienste im Zusammenhang mit der Datenübertragung. Übersetzungsprogramme übertragen Programme höherer Programmiersprachen in auf einer Rechenanlage ausführbare Programme. Dienstprogramme lösen Standardanwendungsprobleme. Typische Dienstprogramme sind z. B. Dateiverwaltungsprogramme, Lader, Binder, Editor, Debugger. Zur Kommunikation mit dem Betriebssystem dient eine Kommandosprache oder eine grafische Benutzeroberfläche. Mit ihrer Hilfe kann der Benutzer Aufträge formulieren. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-4 von 39 Rüdiger Siol

5 Grobstruktur eines Betriebssystems DV I Anwendersoftware Compiler Editoren Shells GUI Betriebssystem Maschinensprache Mikroprogramm Physikalische Geräte Systemprogramme Hardware spezifisch Layer eines Betriebsystems Prof. Dr. Wöllhaf Seite 5 11:29:51 Auf Großrechnern verbreitet sind die Betriebssysteme UNIX (auf Rechnern fast aller Hersteller), BS 2000 (auf Siemens-Rechnern) und VM (auf IBM-Rechnern). Personalcomputer und Arbeitsplatzstationen arbeiten häufig mit Windows oder Mac OS. In letzter Zeit hat auch die nicht kommerzielle UNIX-Variante LINUX zunehmend Verbreitung gefunden. Betriebssysteme wie MS-DOS, OS/2, EUMEL oder NEXT STEP gelten dagegen als überholt. Für viele Computersysteme geht der Trend weg von den klassischen Betriebssystemen hin zu Benutzeroberflächen, die an der Anwendung orientiert sind und das darunter liegende Betriebssystem verstecken. Komponenten von Betriebssystemen werden zunehmend auf mehrere Standorte verteilt. Hierbei werden einige Funktionen nur an einzelnen Orten eingesetzt, andere Funktionen an allen Stellen des Gesamtsystems benötigt. Verteilte Systeme müssen daher über ein Konfigurations- und Integrationskonzept und über ein sicheres Nachrichtenaustauschsystem verfügen. Durch Verteilung werden zugleich Aufgaben in parallele Teilaufgaben zerlegt, was große Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit aufwirft. Bewertungskriterien: Während früher meist die Rechengeschwindigkeit das wichtigste Bewertungskriterium war, legen Benutzer und Anwender seit den 1980er-Jahren immer mehr Wert auf Benutzerfreundlichkeit. Einige der Kriterien können durch Bewertungsprogramme oder Testen überprüft werden. Es empfiehlt sich jedoch, für jede Anwendung ein gesondertes Anforderungsprofil zu entwickeln und eine spezifische Bewertung vorzunehmen. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-5 von 39 Rüdiger Siol

6 6.1 Aufgaben eines Betriebssystems 3 DV I Dialog mit Benutzer Benutzerschnittstelle Dienstprogramme Graphisch Shell Benutzerverwaltung Datenträger formatieren... Prozessorzeit Arbeitsspeicher Festplatten Disketten Resourcen verwalten Aufgabe Betriebssystem v5 Anwenderprogramme starten beenden unterbrechen fortsetzen Bildschirm Drucker Peripherie Ein-/Ausgabe koordinieren Fehlerbehandlung Aufgabe des Betriebssystems Prof. Dr. Wöllhaf Seite 2 20:33:41 Betriebssysteme erfüllen eine oder mehrere der folgenden Aufgaben: Abstraktion: Technische Einzelheiten der Rechner-Hardware werden vom Betriebssystem so gekapselt, dass sie weder dem Bediener noch dem Anwendungsprogrammierer sichtbar sind. Beispiele sind die Übersetzung von virtuellen in reale Adressen und insbesondere die Peripherie der Rechenanlagen; die Ansteuerung der E/A-Einheiten ist in den Treiberprogrammen des Betriebssystems realisiert und für den Benutzer unsichtbar. 3 Rechenberg, Pomberger; Informatik Handbuch; Carl Hanser Verlag München Wien (2002) Kapitel 9 DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-6 von 39 Rüdiger Siol

7 6.1.2 Plattform für Anwendungsprogramme: Das Betriebssystem definiert eine Menge von Abstraktionen und Funktionen, sowie eine wohl definierte Programmierschnittstelle; bezeichnet als (API = application programming interface). Auf dieser stabilen Basis können Anwendungsprogramme implementiert werden, die Dienste des Betriebssystems nutzen. Verbreitete Betriebssysteme definieren diese Schnittstelle als einen Satz von Funktionen, bezogen auf eine typische Programmiersprache, etwa C. Grundsätzlich sind jedoch andere Abstraktionen möglich, zum Beispiel objektorientierte Schnittstellen. Typische betriebssystemspezifische Abstraktionen sind Datei und Prozess. Durch diese Funktion des Betriebssystems als Software-Plattform ist es möglich, Anwenderprogramme so zu realisieren, dass diese von der unterliegenden Hardware unabhängig sind. In den letzten Jahren wurden verstärkt Software-Plattformen entwickelt, die von der Abstraktion her "oberhalb" des Betriebssystems liegen, etwa die Sprache Java mit den dazugehörigen APIs. Durch Nutzung solcher Plattformen können portable, Betriebssystem unabhängige Programme realisiert werden Koordination und Zuteilung von Betriebsmitteln Bei konkurrierend ablaufenden Programmen: Dies ist die Kernaufgabe eines Betriebssystems mit Mehrprozessbetrieb. Wichtigste Betriebsmittel sind: o Prozessorkapazität, Hauptspeicher, o Hintergrundspeicher und o das Zugriffsrecht auf die E/A-Einheiten. Die Zuteilung der Prozessorkapazität zu den Prozessen ist bestimmend für den zeitlichen Ablauf von Programmen; sie wird daher als Ablaufplanung (scheduling) bezeichnet Schutz aktiver Benutzer Schutz mehrerer gleichzeitig oder nacheinander aktiver Benutzer: Betriebssysteme, die für Mehrbenutzerbetrieb ausgelegt sind, müssen vor allem sicherstellen, dass Anwendungsprogramme die Systemintegrität nicht verletzen können. Daneben muss die Integrität anderer, konkurrierend ablaufender Anwendungen sowie fremder Datenbestände geschützt werden. Schließlich ist auch der Schutz von Benutzerdaten vor fremden Lesezugriffen sicherzustellen. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-7 von 39 Rüdiger Siol

8 6.1.5 Bedienschnittstelle für Systemverwalter und Benutzer: Diese Schnittstelle kann in Form eines Kommando-Interpretierers oder auch als grafische Bedienschnittstelle ("Oberfläche") realisiert sein. Da die Bedienschnittstelle nicht dem Betriebssystemkern zugerechnet wird, bezeichnet man sie auch als Shell. Die Bedienschnittstelle wird häufig nicht als Bestandteil des eigentlichen Betriebssystems angesehen. So können graphische Oberflächen durchaus auf unterschiedliche Betriebssysteme portiert werden, X- Window ist ein Beispiel. Sie sind jedoch oft auf Eigenarten des Betriebssystems abgestimmt und, wie bei Microsoft Windows, eng mit dem Betriebssystem selbst verbunden. Neben den oben genannten werden gelegentlich weitere Systemdienste dem Betriebssystem zugerechnet, wie Hilfsmittel zur Dateiverwaltung oder Programmentwicklungswerkzeuge Struktur eines Standard - Betriebssystems Architektur von UNIX Anwendungen/Shells/UNIX-Werkzeuge Bibliotheken User-Modus Schnittstelle für Systemaufrufe Kernel-Modus Prozessverwaltung (Scheduler, Memory Management, IPC) Dateisystem Driver Kernel des Betriebssystems Hardwaresteuerung (Behandlung der Interrupts und Kommunikation mit der Hardware) Hardware (r.siol) FH_RV-Weingarten DV2 WS_ DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-8 von 39 Rüdiger Siol

9 6.1.7 Aufgaben von einem Echtzeitbetriebssystem 4 Ein Echtzeitbetriebssystem 5 (Real-time Operating System, RTOS) muss zunächst dieselben Aufgaben wie ein Standard-Betriebssystems erfüllen: Taskverwaltung Hierunter versteht man die Steuerung und Organisation der durchzuführenden Verarbeitungsprogramme, auch Tasks genannt. Die Aufgabe der Taskverwaltung besteht somit im Wesentlichen in der Zuteilung des Prozessors (oder der Prozessoren bei einem Mehrprozessorsystem) an die Tasks Betriebsmittelverwaltung Tasks benötigen zu ihrer Ausführung Betriebsmittel. Deren Zuteilung ist Aufgabe der Betriebsmittelverwaltung. Diese beinhaltet im Wesentlichen: o die Speicherverwaltung, verantwortlich für die Zuteilung von Speicher, und o die Ein-/Ausgabeverwaltung, verantwortlich für die Zuteilung von Ein/ Ausgabegeräten an die Tasks Interprozesskommunikation Die Kommunikation zwischen den Tasks, auch Interprozesskommunikation genannt, ist eine weitere wichtige Aufgabe, die ein Betriebsystem zu leisten hat Synchronisation Eine spezielle Form der Kommunikation ist die Synchronisation. Hierunter versteht man die zeitliche Koordination der Tasks Schutzmaßnahmen Der Schutz der Betriebsmittel vor unberechtigten Zugriffen durch Tasks ist eine weitere Aufgabe, die von einem Betriebssystem wahrgenommen werden muss. Diese Aufgaben sind bei Echtzeitbetriebssystemen genau wie bei Standard - Betriebssystemen je nach Typ mehr oder minder ausgeprägt. So sind z.b. Schutzmaßnahmen bei vielen Echtzeitbetriebsystemen nur rudimentär oder gar nicht vorhanden, da diese Maßnahmen sich meist negativ auf die Verarbeitungsleistung auswirken. Darüber hinaus möchte man insbesondere im Bereich der eingebetteten Systeme 6 möglichst schlanke Betriebssysteme haben, da der verfügbare Speicher begrenzt ist. 4 Heinz Wörn, Uwe Brinkschulte; Echtzeitsysteme; Springer Verlag 2005; ISBN Flugleitsysteme, Telefonanlagen, Motorsteuerung im Auto, ein Beispiel für ein hartes Echtzeitsystem ist ein computergestuerter Herzschrittmacher. Entwurf und Entwicklung von Echtzeitsoftware wird zu einem der wichtigsten Tätigkeitsfelder für die Informatiker der Zukunft. Aber bereits seit den sechziger Jahren werden Prozeßrechner im Echtzeitbetrieb zur Steuerung und Regelung von Produktionsanlagen eingesetzt. Bei sicherheitskritischen Anwendungen, z.b. zur Steuerung von Kernreaktoren, Signalanlagen der Eisenbahn oder Flugzeugen, wird eine Zuverlässigkeit von maximal einem sicherheitsrelevanten Ausfall in 10 9 Stunden gefordert. 6 Eingebettete Systeme (embedded systems) sind direkt in das zu steuernde Gerät integriert. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-9 von 39 Rüdiger Siol

10 Kernaufgaben eines Echtzeitbetriebssystems Neben den klassischen Betriebssystemaufgaben haben Echtzeitbetriebssysteme zwei wesentliche zusätzliche Aufgaben, die o Wahrung der Rechtzeitigkeit und Gleichzeitigkeit, und die o Wahrung der Verfügbarkeit. Dies sind die Kernaufgaben eines Echtzeitbetriebssystems, auf welche die gesamte Betriebssystemarchitektur ausgelegt ist. Sie dominieren die anderen Aufgaben. Sind Kompromisse erforderlich, so fallen diese immer zu Gunsten der Echtzeiteigenschaften aus. Ein Beispiel ist die bereits erwähnte Vernachlässigung der Schutzmaßnahmen zu Gunsten der Echtzeiteigenschaften. Wie bereits in den vorigen Abschnitten dargelegt, ist nicht nur Performance, sondern auch zeitliche Vorhersagbarkeit gefordert. Reorganisationspausen, z.b. zur Speicherbereinigung in der Speicherverwaltung, sind bei einem Echtzeitbetriebsystem ebenfalls nicht zulässig, da ansonsten die Anforderung nach Verfügbarkeit verletzt würde. Hier müssen spezielle, pausenfreie Algorithmen Verwendung finden. In den folgenden Abschnitten wollen wir zunächst den Aufbau von Echtzeitbetriebssystemen untersuchen und dann die wesentlichen Aufgaben wie Taskverwaltung, Betriebsmittelverwaltung, Kommunikation und Synchronisation im Licht der Echtzeiteigenschaften betrachten. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-10 von 39 Rüdiger Siol

11 6.1.8 Schichtenmodelle Frühe Betriebssysteme besaßen einen monolithischen Aufbau, d.h. alle Funktionalität wurde in einem einheitlichen, nicht weiter unterteilten Block realisiert. Dies führte zu einer Reihe von Nachteilen wie schlechter Wartbarkeit, schlechter Anpassbarkeit und hoher Fehleranfälligkeit. Heutige Betriebssysteme folgen daher hierarchischen Schichtenmodellen. Die Abbildung zeigt das Grundprinzip eines Schichtenmodells oder einer Schichtenarchitektur für informationsverarbeitende Systeme. Basierend auf der Zielhardware, dem realen Prozessor, schichten sich durch Software gebildete abstrakte Prozessoren. Diese abstrakten Prozessoren, auch abstrakte Maschinen genannt, realisieren eine Funktionalität, welche auf der Funktionalität der darunter liegenden Schicht aufbaut, diese nutzt und erweitert. Beginnend mit der Maschine M0, gebildet durch den realen Prozessor, folgen die abstrakten Maschinen M1... Mn. An der Spitze des Schichtenmodells steht die Anwendung, welche auf der Maschine Mn aufgebaut ist. Schichtenmodell eines Betriebssystems Anwendung API Kommando-Interpreter 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 (r.siol) Hochschule Ravensburg-Weingarten Technik Wirtschaft Sozialwesen 7 Dies wendet man auf Betriebssysteme an. Die unterste Schicht der Gerätetreiber hat die Aufgabe, von der Hardware zu abstrahieren. Sie realisiert die hardwareabhängige Steuerung der einzelnen Geräte und liefert eine hardwareunabhängige Schnittstelle an die darüber liegende Schicht. Im Idealfall sind die Gerätetreiber daher die einzige hardwareabhängige Schicht im Betriebssystem. Bei Anpassung an andere Geräte muss lediglich diese Schicht verändert werden. Darüber sitzt die Ein-/ Ausgabesteuerung, welche die logische, hardwareunabhängige Steuerung der Geräte übernimmt. Die Ein-/ Ausgabeverwaltung wacht über die Zuteilung der Geräte an Tasks und leitet Geräteanfragen und -antworten weiter. Wie man sieht, kann sich eine Schicht horizontal aus mehreren Komponenten zusammensetzen. In der gleichen Schicht wie die Ein-/ Ausgabeverwaltung sitzt die Speicherverwaltung, welche für die Reservierung (Allokation) und Freigabe (Deallokation) von Speicher verantwortlich ist. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-11 von 39 Rüdiger Siol

12 Ein-/Ausgabeverwaltung und Speicherverwaltung münden zusammen in der Betriebsmittelverwaltung. Die Taskverwaltung ist wie bereits erwähnt für die Zuteilung des Prozessors an die einzelnen Tasks verantwortlich. Über der Taskverwaltung befindet sich zum einen das API (Application Program Interface), welches die Schnittstelle zu Anwenderprogrammen realisiert, sowie der Kommando Interpreter, der textbasierte Befehle entgegen nimmt Betriebssystemkern Unter dem Betriebssystemkern versteht man üblicherweise denjenigen Teil des Betriebssystems, der die kritischen Aufgaben übernimmt und daher im so genannten Kernelmode des Prozessors ausgeführt wird. Dies ist eine spezielle Betriebsart des Prozessors, in der privilegierte Befehle, Speicherbereiche und Ein-/ Ausgabebereiche freigegeben sind. Im normalen Usermode sind diese gesperrt, sodass eine Anwendung wichtige Betriebssystemteile nicht stören kann. Dies ist eine der bereits angesprochenen Schutzmaßnahmen im Betriebssystem. Bei dem obigen Schichtenmodell erstreckt sich der Betriebssystemkern über die Schichten 1-5. Da der Kern viele Schichten enthält, spricht man auch von einem Makrokernbetriebssystem. Heutige Echtzeitbetriebssysteme orientieren sich stärker an den Aufgaben und müssen hochgradig konfigurierbar sein. Dies gilt insbesondere im Bereich der eingebetteten Systeme, da dort Ressourcen wie Speicher eher knapp sind. Daher ist es wünschenswert, nicht benötigte Teile aus dem Betriebssystem herauszunehmen. Ein Beispiel wäre das Scheduling. Es ist schön, wenn ein Echtzeitbetriebssystem mehrere Echtzeit-Schedulingverfahren anbietet. Bei begrenzten Ressourcen möchte man jedoch nur die oder dasjenige. Schedulingverfahren im Betriebssystem behalten, welches wirklich zum Einsatz kommt. Dies führt zum Konzept des Mikrokernbetriebssystems. Hierbei gibt es einen sehr schlanken Betriebssystemkern, der nur die wirklich in allen Fällen und Konfigurationen benötigten Bestandteile enthält. Dies sind üblicherweise: o die Interprozesskommunikation o die Synchronisation o die elementaren Funktionen zur Taskvenvaltung, dies sind i.a. - das Einrichten einer Task, - das Beenden einer Task, - das Aktivieren einer Task, und - das Blockieren einer Task. Aus diesen Elementarfunktionen lassen sich alle anderen Betriebssystemfunktionen zusammenbauen. Z.B. kann ein Schedulingverfahren wie das bereits angesprochene Fixed Priority Preemptive Scheduling, aber auch alle anderen noch zu besprechenden Echtzeitschedulingverfahren durch gezieltes Aktivieren und Blockieren von Tasks sowie durch Synchronisation realisieren. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-12 von 39 Rüdiger Siol

13 6.2 Prozesse Eine Task, auch Rechenprozess genannt, ist der Ablauf eines sequentiellen Programms in einer Rechenanlage. Der Unterschied zum Begriff des Programms liegt dabei in der zeitlichen Dimension: Während ein Programm eine statische Handlungsvorschrift darstellt, ist der Prozess durch seinen zeitlich veränderlichen Zustand gekennzeichnet. Der Gedanke eines zeitlichen Ablaufs wird durch den ebenfalls üblichen Begriff Faden bzw. Handlungsfaden (thread, thread of control) betont. Eine Task kann mehrere Threads enthalten, die parallel bzw. quasi-parallel innerhalb der Task ausgeführt werden. Es entsteht somit eine zweistufige Parallelität: eine Anwendung wird in mehrere parallele Tasks zergliedert, jede Task besteht ihrerseits aus mehreren parallelen Threads. Taskmodell Anwendung Task 1 Task n Thread 1 Thread i Thread 1 Thread j (r.siol) Hochschule Ravensburg-Weingarten Technik Wirtschaft Sozialwesen 20 DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-13 von 39 Rüdiger Siol

14 6.2.1 Mehrprozessbetrieb Aus der Sicht des Anwenders sind Prozesse die "Handlungsträger" in einer Rechenanlage; aus der Sicht des Betriebssystems sind es die Objekte, denen die Prozessorkapazität zugeteilt wird. Alle modernen Betriebssysteme sind in der Lage, zu einem Zeitpunkt mehrere Prozesse zu verwalten; dies wird als Mehrprozessbetrieb (multiprogramming, multitasking) bezeichnet. Dabei ist es unerheblich, ob die Rechenanlage über mehrere Verarbeitungseinheiten verfügt, ob es sich also um einen Multiprozessor handelt, oder ob die Bearbeitung der Prozesse sequentialisiert wird. Dieser Fall heißt Nebenläufigkeit (concurrency). Nachfolgende Skizze zeigt mögliche Bearbeitungssequenzen dreier neben läufiger Prozesse. Die ursprüngliche Motivation für die Einführung des Mehrprozessbetriebs war eine Erhöhung der Maschinenauslastung, um teure Betriebsmittel optimal zu nutzen. So konnte die Zentraleinheit arbeiten, während ein anderer Prozess auf einen E/A-Vorgang wartete. In heutigen Systemen steht dagegen der Komfort für den interaktiven Benutzer und die Flexibilität im Vordergrund. P1 P2 Parallele Verarbeitung P3 P1 P2 P3 Sequentielle Verarbeitung P1 P2 P3 P1 Überlappende Verarbeitung Nebenläufige Prozesse Bei voneinander unabhängigen nebenläufigen Prozessen hängen die Ergebnisse der Prozesse nicht von deren Bearbeitungsfolge ab. Die verbreiteten Betriebssysteme gehen bei der Ablaufplanung gewöhnlich von solchen unabhängigen Prozessen aus. Kooperierende Prozesse müssen sich untereinander explizit synchronisieren (siehe Prozesssynchronisation). DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-14 von 39 Rüdiger Siol

15 6.2.2 Prozessverwaltung Zu einem gegebenen Zeitpunkt kann auf einem Monoprozessor nur ein Prozess in Bearbeitung sein; dieser Zustand heißt rechnend (running). Alle anderen Prozesse sind blockiert, wobei sie entweder rechenbereit sind oder nicht. Ein Prozess ist dann nicht rechenbereit, wenn zu seiner weiteren Ausführung ein Ereignis abgewartet werden muss, das in einem anderen Prozess oder etwa in der Peripherie (E/A-System) stattfindet. Die Skizze Prozesszustände zeigt diese drei elementaren Zustände eines Prozesses. 5 Start 1 bereit 2 3 rechnend 6 Ende wartend 4 DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-15 von 39 Rüdiger Siol

16 Taskzustände Beim zeitlichen Ablauf einer Task (oder eines Threads) können mehrere Zustände unterschieden werden; diese stellen sich wie folgt dar: Ruhend (dormant) Die Task ist im System vorhanden, aber momentan nicht ablaufbereit, da Zeitbedingungen oder andere Voraussetzungen (noch) nicht erfüllt sind. 1 Start: Der Prozess wird im Betriebssystem aktiv. Er ist zunächst bereit und konkurriert um den Prozessor. 2 Zuteilung: Der Prozessor wird dem Prozess zugeteilt. Der Prozess wird nun bearbeitet. 3 Verdrängung: Das Betriebssystem entzieht dem Prozess den Prozessor, weil ein anderer Prozess bearbeitet werden soll. Zuteilungsstrategien, die diese Maßnahme realisieren, heißen verdrängend oder präemptiv. In einigen Betriebssystemen, wie etwa frühen Versionen von Microsoft Windows, muss diese Maßnahme explizit im Programm des Prozesses vorgesehen werden; diese Strategie wird als kooperativ bezeichnet. Bei verdrängenden Strategien kann dagegen jede Aktivierung des Betriebssystems, etwa eine Unterbrechung durch den Systemzeitgeber, eine Verdrängung ermöglichen. Bei einfachen Systemen existiert dieser Übergang gar nicht (nichtpräemptiv). 4 Wartebedingung: Der Prozess erklärt dem Betriebssystem, dass er auf ein Ereignis wartet; er gibt damit den Prozessor auf. Das Ereignis kann zum Beispiel die Verfügbarkeit eines Eingabewertes aus einer Eingabe-Operation oder der Ablauf einer Wartezeit sein. Eine Fortsetzung der Verarbeitung ist nicht möglich, bevor das Ereignis eingetreten ist. 5 Wartebedingung erfüllt: Das Ereignis ist eingetreten, der Prozess kann weiterlaufen. Damit wird er aber nicht unmittelbar rechnend, sondern zunächst nur rechenbereit. 6 Beendigung: Der Prozess hat die Ausführung seines Programms beendet; er meldet sich beim Betriebssystem ab. Daneben ist auch der zwangsweise Abbruch der Bearbeitung durch das Betriebssystem oder einen anderen Prozess möglich; ein solcher Abbruch kann auch aus dem Bereit-Zustand heraus eintreten. Diese Darstellung umfasst nur die elementaren Zustände eines Prozesses, je nach Modell des Betriebssystems können weitere Zustände und Zustandsübergänge hinzukommen. Die Zuteilungsstrategie ist eine wichtige Eigenschaft des Betriebssystems. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-16 von 39 Rüdiger Siol

17 Zeitparameter Das Zeitverhalten einer Task kann durch eine Reihe von Parametern beschrieben werden. Diese Zeitparameter helfen zum einen dem Echtzeitbetriebssystem, die Task einzuplanen. Zum anderen helfen sie dem Entwickler, sein Echtzeitsystem bezüglich des Zeitverhaltens zu modellieren. Durch Analyse von Zeitparametern kann er etwa die Prioritäten der Tasks bestimmen oder überprüfen, ob die Zeitbedingungen für die Tasks immer eingehalten werden. In diesem Abschnitt wollen wir die wesentlichen Parameter definieren, die das Zeitverhalten einer Task bestimmen. Wesentliche Zeitparameter einer Echtzeittask blockiert j e l laufend ablaufwillig er ruhend a r s t c d r a: Ankunftszeit (Arrival Time) r: Anforderungszeit (Request Time) s: Startzeit (Start Time) c: Beendigungszeit (Completion Time) d: Zeitschranke (Deadline) p p: Periode (Period) e: Ausführungszeit (Execution Time) er: Restausführungszeit (Remaining Execution Time) l: Spielraum (Laxity) j: Reaktionszeit (Reaction Time; Release Jitter) (r.siol) Hochschule Ravensburg-Weingarten Technik Wirtschaft Sozialwesen 16 a: Ankunftszeit (Arrival Time) Dies ist der Zeitpunkt, zu dem eine Task dem Betriebssystem bekannt gemacht wird. Die Taskverwaltung nimmt die Task in die Taskliste auf und setzt sie zunächst in den Zustand "ruhend". r: Anforderungszeit (Request Time) Zu diesem Zeitpunkt wird die Task ablaufwillig. Sie bewirbt sich bei der Taskverwaltung um den Prozessor. s: Startzeit (Start Time) Zu diesem Zeitpunkt erhält die Task erstmalig nach Anforderung den Prozessor zugeteilt, die Ausführung beginnt. c: Beendigungszeit (Completion Time) Dieser Zeitpunkt markiert das Ende der Taskausführung, die Task hat ihre Aufgabe erledigt und kehrt in den Zustand "ruhend" zurück. d: Zeitschranke (Deadline) Dies ist einer der wichtigsten Zeitpunkte bei Echtzeitanwendungen. Die Zeitschranke bestimmt den Zeitpunkt, zu dem die Taskausführung spätestens beendet sein muss. Je nach Klasse der Echtzeitanwendung kann diese Zeitschranke hart, fest oder weich sein. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-17 von 39 Rüdiger Siol

18 p: Periode (Period) Diese Zeitdauer kennzeichnet die Wiederholungsrate bei periodischen Tasks. Sie ergibt sich aus der Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinander folgenden Anforderungszeiten einer Task. Auch dies ist ein für Echtzeitsysteme sehr wichtiger Parameter. e: Ausführungszeit (Execution Time) Dieser Parameter gibt die Zeitdauer an, die eine Task zur Ausführung ihrer Aufgabe benötigt, wenn sie sich im Zustand "laufend" befindet. Zeiten, in denen die Task ablaufwillig ist, den Prozessor aber nicht besitzt, zählen hier nicht dazu. Es handelt sich also sozusagen um die reine Ausführungszeit ohne Wartephasen. Eine bedeutende Variante dieses Parameters ist die maximale Ausführungszeit (Worst Case Execution Time). Diese gibt eine obere Schranke der Ausführungszeit an, die unter keinen Umständen überschritten wird. Es ist leicht einzusehen, dass dies ein bedeutender Parameter für das Überprüfen der Einhaltung von Zeitbedingungen ist. er:restausführungszeit (Remaining Execution Time) Dies ist die noch verbleibende Ausführungszeit von der aktuellen Zeit t bis zur Beendigungszeit l: Spielraum (Laxity) Hierunter versteht man die verbleibende Restzeit zwischen Beendigungszeit und Zeitschranke. Je näher die Beendigungszeit an der Zeitschranke liegt, desto geringer ist der Spielraum, der für die Einplanung dieser Task zur Verfügung steht. j: Reaktionszeit (Reaction Time, Release Jitter) Dieser Zeitraum kennzeichnet die Verzögerung zwischen Anforderung und dem Start der Ausführung. Üblicherweise ist dies die Zeit, innerhalb der die Task auf ein eingetretenes Ereignis mit dem Beginn der Ereignisbehandlung reagiert. Da die Reaktionszeit durchaus schwanken kann, spricht man auch von einem Release Jitter. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-18 von 39 Rüdiger Siol

19 6.2.3 Zustandsinformation Die Verwaltung von Prozessen erfordert es, dass das Betriebssystem die Kontrolle über den Zustand des Prozesses hat und diesen verwaltet. Dazu muss die dem Prozess zugeordnete Zustandsinformation wohl definiert sein; denn das Betriebssystem muss dafür sorgen, dass bei Verdrängung und Wiederzuteilung eines Prozesses keine für diesen sichtbare Änderung seines Zustands eintritt. Diese Zustandsinformation, auch als Kontext bezeichnet, kann folgende Elemente enthalten: o Zustand der Zentraleinheit: Daten- und Adressregister, Befehlszähler, Bedingungsbits; o Zustand zusätzlicher Verarbeitungseinheiten, soweit vorhanden, z.b. Gleitkommaprozessor; o Speicherinhalte, insbesondere veränderliche Datenbereiche; o Betriebssystemintern verwaltete Zustandsinformation: Eingabepuffer, Dateizeiger, Nachrichtenpuffer oder -warteschlangen; o Verwaltungsinformation: Prozess Bezeichner (Pid für process identifier), zugeordneter Benutzer, Beziehungen zu anderen Prozessen, Priorität; o Information über Wartebedingungen oder zugeordnete Betriebsmittel, Zugriffsrechte. 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. 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 (r.siol) Hochschule Ravensburg-Weingarten Technik Wirtschaft Sozialwesen 17 Das Betriebssystem fasst diese Information bzw. Referenzen darauf in einer prozessspezifischen Datenstruktur zusammen, die gewöhnlich als Prozessleitblock (process control block, PCB) bezeichnet wird. Dieser Prozessleitblock repräsentiert den Prozess im System und ist eine der wichtigsten Datenstrukturen im Betriebssystem. Die Prozessleitblöcke rechenbereiter Prozesse werden in einer oder in mehreren Warteschlangen (ready queue) verwaltet; andere Warteschlangen enthalten wartende Prozesse. Pro Prozessor existiert ein Zeiger, der auf den Prozessleitblock des rechnenden Prozesses verweist. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-19 von 39 Rüdiger Siol

20 Bei der Anmeldung eines neuen Prozesses muss das System einen neuen Prozessleitblock anlegen und diesen in die Bereit- Warteschlange einreihen. Alle weiteren Maßnahmen, wie das Bereitstellen von Speicher und das Laden des zugehörigen Programms, können prinzipiell zurückgestellt werden, bis der Prozess erstmalig rechnend wird. Bei einem Wechsel des rechnenden Prozesses (Prozesswechsel, process switch, auch context switch) muss der Kontext des bisher rechnenden Prozesses (P alt ) konserviert, und der Kontext des neuen Prozesses (P neu ) aktiviert werden. Dazu werden insbesondere alle Registersätze und Statusinformationen in prozessspezifische Datenstrukturen von (P alt ) gespeichert bzw. aus den Strukturen von (P neu ) geladen. Darüber hinaus muss der Zustandswechsel der beiden Prozesse vermerkt und die entsprechenden Warteschlangen müssen aktualisiert werden. Bei Systemen mit virtuellem Speicher muss auch die Speicherumgebung für den rechnenden Prozess umgeschaltet werden, so dass nun die Speicherumgebung von (P neu ) aktiv wird. DV1_Kapitel_6.doc Seite 6-20 von 39 Rüdiger Siol