Kapitel 2 Betriebssysteme. Für den Rechnerbetrieb notwendige Basissoftware

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1 Für den Rechnerbetrieb notwendige Basissoftware 1

2 1. Einleitung 2. Prozessverwaltung 3. Dateiverwaltung 2

3 1. Einleitung Was ist ein Betriebssystem? Wikipedia: Ein Betriebssystem (engl. Operating System OS) ist die Software, die den Betrieb eines Computers ermöglicht. Es verwaltet Betriebsmittel wie Speicher, Ein- und Ausgabegeräte und steuert die Programmausführung. DIN 44300: Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechnersystems bilden und insbesondere die Abwicklung von (Anwendungs-)Programmen steuern und überwachen. Das Betriebssystem ist die Software, die für den Betrieb eines Rechners notwendig ist, unabhängig von den Anwendungen. Das Betriebssystem stellt Basisdienste bereit, die von den Anwendungen benutzt werden. Beispiele für Betriebssysteme: MS-DOS (DOS 1.0, 4000 Zeilen Assemblercode, 4 KB Hauptspeicherbedarf) Windows XP (30 Millionen Zeilen Quelltext), Windows 7, Linux, SOLARIS 3

4 1. Einleitung Ziele eines Betriebssystems: Einfache Bedienung des Rechners durch den Anwender ermöglichen Benutzerwelt an die Maschinenwelt anpassen: Rechner mit unterschiedlichster Hardware (Prozessoren z. B. Intel oder AMD, Grafikkarten, Festplatten, Monitore) können unter Windows-XP das gleiche, zum Beispiel eine PowerPoint-Präsentation anzeigen Betriebsablauf organisieren, koordinieren und steuern Betriebsablauf protokollieren (besonders bei Servern relevant) Randbedingungen: Vorhandene Betriebsmittel sollen optimal eingesetzt werden Betriebssystem soll für die Durchführung seiner Aufgaben nur einen geringen Rechenaufwand benötigen und nur wenig Ressourcen (zum Beispiel Hauptspeicher oder Prozessorleistung) verbrauchen Betriebssystem soll robust gegenüber fehlerhaften Benutzerprogrammen, fehlerhaftem Benutzerverhalten und auch Hardwareproblemen sein Daten, Programme sollen gegen unerlaubten Zugriff abgesichert sein 4

5 1. Einleitung Betriebssystem und Anwendungen Anwendungs- Programmierer Betriebssystementwickler Anwender Anwendungsprogramme Utilities / Hilfsprogramme Betriebssystem Computer Hardware Microsoft PowerPoint, Word, CATIA, SolidEdge, Matlab, Simulink, Maple nutzen Dateisystem, Einund Ausgabegeräte Verwaltet Prozesse (z. B. laufendes CATIA- Programm), Dateien, Geräte (Maus) werden verfügbar gemacht Das Betriebssystem vermittelt zwischen Anwendungsprogrammen (zum Beispiel CATIA oder PowerPoint) und der realen Hardware. CATIA und Power- Point besitzen Save-Funktionen um Zeichnungen bzw. Präsentationen auf der Festplatte zu speichern. Das Betriebssystem stellt hierzu elementare Dienste zum Lesen und Schreiben von Dateien zur Verfügung: Anwendungsprogramme kümmern sich nicht selbst um die Dateiverwaltung, sie verwenden dazu die Dienste des Betriebssystems! 5

6 1. Einleitung Kategorien von Betriebssystemen Es gibt viele verschiedene Betriebssysteme für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche. Sie können in folgende Kategorien eingeteilt werden: PC-Betriebssysteme (Windows, Linux, MacOS) Echtzeitbetriebssysteme Eingebettete Betriebssysteme (Embedded OS) Smart-Card-Betriebssysteme für Chipkarten Chipkarte ( Smart Card ) 6

7 1. Einleitung Echtzeitbetriebssysteme (RTOS, Real-Time Operating System) Echtzeitbetriebssysteme sind Betriebssysteme mit zusätzlichen Funktionen zur Einhaltung von Zeitbedingungen (Ergebnisse müssen rechtzeitig vorliegen) und zur genauen Vorhersagbarkeit des Prozessverhaltens Weiche Echtzeitanforderungen: Antwortzeit soll einen vorgegebenen Wert erreichen, seltene signifikante Abweichungen werden toleriert (z. B. RTOS für Videokonferenzen) Harte Echtzeitanforderungen: Überschreitung der vorgegebenen Antwortzeit ist ein Fehler, man muss sich auf die Einhaltung der Zeitschranke verlassen können. Beispiele: Motorsteuerung (100 ms), ABS (1 ms), Airbag (1 ms) Beispiele für Echtzeitbetriebssysteme: RTA-OSEK (Bosch/ETAS): Steuergeräte in der Automobilindustrie VxWorks (Wind River System): Kleingeräte in Luft-/Raumfahrt, Verteidigung, Maschinensteuerungen, Medizintechnik, Netzwerk-Infrastruktur RTLinux: Erweiterung von Linux für Echtzeitunterstützung 7

8 1. Einleitung Eingebettete Betriebssysteme (Embedded OS) Rechensysteme, die ihre Aufgaben versteckt ( eingebettet ) in anderen Systemen verrichten (z. B. in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Set-Top-Boxen und Handys). Eingebettete Software wird häufig auch Firmware genannt. Aufgaben: Steuerung des Systems Interaktion mit der Umwelt über definierte Schnittstellen Randbedingungen für eingebettete Systeme: Minimale Kosten Geringer Platz-, Energie-, Speicherverbrauch Zeitkritische Anforderungen, sicherheitskritische Anforderungen Ersatzteilbeschaffung (Systeme haben lange Lebensdauer) ROM- (Read-Only Memory) oder Flash-Chips ersetzen Speicherkomponenten wie z. B. Festplatte Manchmal wird bei eingebetteter Software überhaupt kein Betriebssystem eingesetzt; häufig die gleichen Betriebssysteme wie bei Echtzeitsystemen. 8

9 1. Einleitung Funktionsbereiche von Betriebssystemen Prozessverwaltung (Prozess = ein in Arbeit befindliches Programm) Laden, Starten, Verwalten und Beenden von Prozessen (z. B. PowerPoint) Kommunikation zwischen Prozessen (lokal oder über Netzwerk) Abwicklung von Aufträgen im Hintergrund (z. B. FEM-Berechnung) Prozessor muss parallele Prozesse ausführen ( Multitasking ) Speicherverwaltung Prozesse müssen ausreichend Hauptspeicher erhalten Prozesse dürfen sich nicht stören, müssen manchmal Speicher teilen Eingabe und Ausgabe (Input/Output, kurz I/O), Dateiverwaltung Abwicklung von Ein- und Ausgabe (Bildschirm, Tastatur, Maus) Zugriff auf Festplatte, Dateiverwaltung (Bereitstellung eines Dateisystems) Netzwerkkommunikation Zugriff auf das Internet, Zugriff auf andere Rechner (z. B. Server) Zugriff auf entfernte Ressourcen (z. B. Dateien, Netzlaufwerke, Drucker) Steuerung von Peripheriegeräten (Monitor, Drucker, Scanner usw.) Sicherheit 9

10 1. Einleitung 2. Prozessverwaltung 3. Dateiverwaltung 10

11 Hauptspeicher 2. Prozessverwaltung Was ist ein Prozess? Ein Prozess ( Task ) ist ein in Arbeit befindliches Programm inkl. Daten Beispiele: PowerPoint, CATIA, Windows Media Player Betriebssystem muss Programme (Prozesse) laden, starten, verwalten, beenden Moderne Betriebssysteme können viele Prozesse gleichzeitig ablaufen lassen (Multiprogramming, Multitasking) Die Prozessverwaltung muss die CPU und andere Ressourcen (z. B. Hauptspeicher) den verschiedenen Prozessen zuteilen Anforderungen: fair, effizient, schnelle Antwortzeiten bei Interaktion durch den Anwender BS p1 p1 p2 p3 p1 p2 p3 ] ms p1 t p3 p2 11

12 Round-Robin-Verfahren 2. Prozessverwaltung Die aktiven Prozesse sind in einer zyklischen Liste angeordnet. Ihnen wird der Reihe nach der Prozessor für eine bestimmte Zeit ( Zeitscheibe ) zur Verfügung gestellt. Prozesse hoher Priorität können bevorzugt werden, z. B. durch häufigere Zuteilung von Zeitscheiben. S P 1 Rundlauf-Verfahren (engl. Round-Robin ) P 2 P 3 Die Verwaltung der Liste erfolgt durch den sog. Scheduler, der selbst als einer der Prozesse betrieben wird. Er wird einmal pro Rundlauf aktiv und plant den Ablauf der anderen Prozesse. 12

13 2. Prozessverwaltung Windows-XP: Taskmanager zeigt die aktuellen Prozesse an und erlaubt, einzelne Prozesse zu beeinflussen (Prozess beenden, Priorität ändern usw.) 13

14 2. Prozessverwaltung Sicherheitsaspekte bei der Prozessverwaltung Anforderungen Vertraulichkeit: Nur berechtigte Anwender dürfen Daten lesen Integrität von Daten: Erzeugen, Löschen, Ändern von Inhalten und Status darf nur durch berechtigte Anwender erfolgen Verfügbarkeit: Zugriff auf Daten muss durchführbar sein, auch wenn ein Rechner oder eine Festplatte ausfällt (z. B. Onlinebanking) Rechner muss die Identität von Teilnehmern überprüfen können Schutzmechanismen Speicherschutz: Prozess darf nur auf bestimmten Adressbereich zugreifen Benutzerorientierte Zugangskontrolle mit Benutzer-ID und Kennwort Datei-/Datenorientierte Zugriffskontrolle (Rechteverwaltung): Schreibschutz, Leseschutz, Ausführungsschutz (z. B. Befehl zum Formatieren darf nur der Administrator ausführen) Verschlüsselung von Daten Überwachung des Rechners während des Betriebs (Funktionsfähigkeit der Komponenten, Erkennung von Angriffen Intrusion Detection ) 14

15 1. Einleitung 2. Prozessverwaltung 3. Dateiverwaltung 15

16 3. Dateiverwaltung 2MB-Festplatte (1971) Eine Festplatte kennt keine Dateien, sondern nur eine Menge von Blöcken, die jeweils eine feste Datenmenge (zum Beispiel 512, 1024 oder 2048 Bytes) speichern können. Wie entsteht daraus eine Datei? 16

17 3. Dateiverwaltung Dateiverwaltung und Dateisystem Im Dateisystem werden die Daten eines Rechners in Form von Dateien gespeichert. Das Dateisystem ist ein Ordnungs- und Zugriffssystem für diese Daten. Der Zugriff auf das Dateisystem ist Aufgabe des Betriebssystems. Eine Datei ist eine Folge von Bytes, die zusammengehören. Die Festplatte kennt aber keine Dateien, sondern nur eine Menge von Blöcken mit einer festen Größe (z. B. 512, 1024 oder 2048 Bytes). Für jede Datei speichert das vom Betriebssystem verwaltete Dateisystem daher unter anderem: Dateinamen, Dateigröße Wie findet man die Datei auf der Festplatte (Speichermedium) Zugriffsrechte (wer darf Datei lesen, verändern, ausführen) Wann wurde die Datei zuletzt geändert Diese Informationen werden nicht in der Datei selbst sondern in speziellen Dateien, gespeichert, sog. Verzeichnisdateien ( Directory-Dateien ). Ein Verzeichnis ist also auch eine Datei, deren Inhalt aber vom Betriebssystem verwaltet wird. 17

18 3. Dateiverwaltung Sektor klausur.txt C : klausur.txt sub Spur briefe briefe Brief1.txt stud.xls sub Laufwerk C: Filename Extension Attribute... Datum Block Länge klausur txt briefe Verzeichnis briefe C-Laufwerk Filename Extension Attribute... Datum Block Länge Brief1 txt stud xls sub

19 Absolute Pfadangaben 3. Dateiverwaltung Damit Microsoft Excel die Datei stud.xls lesen oder schreiben kann, muss das Betriebssystem wissen, wo sich die Datei befindet (hier im Block 45789). Achtung: Es können mehrere Dateien stud.xls auf der Festplatte existieren (in verschiedenen Verzeichnissen). Um eine Datei als Anwender eindeutig zu identifizieren muss man daher das Verzeichnis und den Dateinamen zugleich angeben. Absoluter Pfadname: Welche Verzeichnisse muss man ausgehend vom obersten Verzeichnis durchlaufen, um zur Datei zu kommen? Bei Windows beginnt der absolute Pfadname stets mit dem Laufwerksbuchstaben. Beispiele: c:\klausur.txt c:\briefe\brief1.txt c:\briefe\stud.xls Groß-/Kleinschreibung ist bei Windows egal, bei anderen Betriebssystemen nicht (zum Beispiel Linux)! 19

20 Relative Pfadangaben 3. Dateiverwaltung Welche Verzeichnisse muss man ausgehend vom aktuellen Verzeichnis ( relativ zum aktuellen Verzeichnis) durchlaufen, um zur Datei zu kommen? Ein relativer Pfadname beginnt nicht mit einem Laufwerksbuchstaben. Aktuelles Verzeichnis: Relativer Pfadname: c: briefe\stud.xls c:\briefe stud.xls c:\briefe\sub..\stud.xls.. steht für das Elternverzeichnis Aus dem aktuellen Verzeichnis (Verzeichnis, in dem man sich aktuell befindet) und dem relativen Pfadnamen lässt sich der absolute Pfadname bestimmen. Der absolute Pfadname lautet in allen drei Beispielen C:\briefe\stud.xls 20

21 3. Dateiverwaltung C : dat.txt klausur.txt briefe Brief1.txt stud.xls sub dat.txt docs stud1.xls briefe dat.txt sub a) Wie lauten die absoluten Pfadnamen der 3 Dateien dat.txt? b) Wie lauten die relativen Pfadnamen der 3 Dateien dat.txt, wenn c:\briefe aktuelles Verzeichnis ist? c) Wie lauten die relativen Pfadnamen der 3 Dateien dat.txt, wenn c:\briefe\sub aktuelles Verzeichnis ist? d) Wie lauten die relativen Pfadnamen der 3 Dateien dat.txt, wenn c:\docs aktuelles Verzeichnis ist? 21

22 3. Dateiverwaltung C : dat.txt klausur.txt briefe Brief1.txt stud.xls sub dat.txt docs stud1.xls briefe dat.txt sub a) Wie lauten die absoluten Pfadnamen der 3 Dateien dat.txt? c:\dat.txt c:\briefe\sub\dat.txt c:\docs\briefe\dat.txt b) Wie lauten die relativen Pfadnamen der 3 Dateien dat.txt, wenn c:\briefe aktuelles Verzeichnis ist?..\dat.txt sub\dat.txt..\docs\briefe\dat.txt c) Wie lauten die relativen Pfadnamen der 3 Dateien dat.txt, wenn c:\briefe\sub aktuelles Verzeichnis ist?..\..\dat.txt dat.txt..\..\docs\briefe\dat.txt d) Wie lauten die relativen Pfadnamen der 3 Dateien dat.txt, wenn c:\docs aktuelles Verzeichnis ist?..\dat.txt..\briefe\sub\dat.txt briefe\dat.txt 22

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