Betriebssysteme. FU Berlin WS 2006/07 Klaus-Peter Löhr. bs-1.1 1

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1 Betriebssysteme FU Berlin WS 2006/07 Klaus-Peter Löhr bs-1.1 1

2 1 Einführung Betriebsmittelverwaltung Entwicklungsgeschichte Architektur Zur Erinnerung: Informatische Fachbegriffe in Deutsch und Englisch findet man unter bs-1.1 2

3 Software zwischen Hardware und Umwelt eingebettete Systeme (embedded systems) geschlossene Anwendungssysteme (z.b. Flugbuchungssystem) Betriebssysteme + Anwendungsprogramme bs-1.1 3

4 Transaktionssystem eingebettetes System Basissoftware Betriebssystem (operating system) bs-1.1 4

5 Benachbarte Gebiete: Rechnerarchitektur Verteilte Systeme, Middleware Echtzeitsysteme Systemsicherheit Datenbanksysteme Programmiersprachen & Übersetzer Softwaretechnik bs-1.1 5

6 Abgrenzung: Betriebssystem im engeren Sinn = System aus Sicht der Anwendungssoftware = Software zwischen der Hardware und der Systemschnittstelle ( 2) Betriebssystem im weiteren Sinn = System aus Sicht des Benutzers, d.h. zuzüglich Benutzerschnittstelle, Übersetzer, Dienstprogramme usw. bs-1.1 6

7 Benutzerschnittstelle (user interface) Systemschnittstelle (system interface) Anwendungen, Übersetzer,..., und Interaktionssystem (auch Datenbanksystem, Middleware, u.a.) Betriebssystem auch Systemsoftware Hardware bs-1.1 7

8 Systemschnittstelle bietet den Programmen die einzige Möglichkeit zur Interaktion mit dem Betriebssystem und zwar über Systemaufrufe (system/supervisor calls) (= spezielle Maschinenbefehle) Beachte: In höheren Programmiersprachen sind die Systemaufrufe in Bibliotheksroutinen verborgen, z.b. hinter write(1,"hello",5) verbirgt sich... SVC bs-1.1 8

9 Unterprogrammsprung Benutzercode:... JSR WRITE... Bibliotheksschnittstelle Systemaufruf Bibliothekscode:... SVC Systemschnittstelle Betriebssystem bs-1.1 9

10 Merke: Die Trennung Systemsoftware Anwendungssoftware (systems software application software) ist unscharf, weil auf der Systemschnittstelle nicht nur Anwendungssoftware, sondern auch Systemerweiterungen aufgesetzt werden können. bs

11 Grobe Klassifikation der Hardware: Einprozessorsystem (uniprocessor) Mehrprozessorsystem (multiprocessor) Mehrrechnersystem (multicomputer, cluster) mit verteiltem Speicher verteiltes Betriebssystem Rechnernetz (computer network) Betriebssysteme + Middleware bs

12 Betriebsarten eines Rechners Einplatzsystem (single-user system) Einbenutzersystem (single-user system) Mehrplatzsystem (multi-user system) Teilhaberbetrieb (multi-access) Mehrbenutzersystem Teilnehmerbetrieb (multi-user system) (time-sharing) interaktiv Stapelbetrieb (batch processing) Klient (client) Anbieter (server) bs

13 1.1 Betriebsmittelverwaltung Hardware ist Konglomerat aus verschiedenen Betriebsmitteln (auch Ressourcen, engl. resources) wie z.b. Prozessoren, Speicher, Peripheriegeräte, Netzanschlüsse,... bs

14 Aufgabe eines Betriebssystems ist, den Anwendungsprogrammen statt der realen Betriebsmittel virtuelle Betriebsmittel (virtual resources) zur Verfügung zu stellen (z.b. virtueller Speicher ) mit den folgenden Eigenschaften: komfortabel betriebssicher effizient durch geeignet parametrisierte Software-Schnittstelle gegenüber Hardware- und Software-Fehlern sowie böswilliger Manipulation bezüglich der realen Betriebsmittel

15 1.1.1 Prozessverwaltung Betriebsmittel: virtualisiert: Prozessor Prozess (process, task) ( Verwandter Prozessbegriff bei der nichtsequentiellen Programmierung: Prozess = Programmteil, der unabhängig von den anderen Programmteilen ablaufen kann, z.b. Thread in Java ) bs

16 Genauer: leichtgewichtiger Prozess (lightweight process, thread (!) ) = virtueller Prozessor schwergewichtiger Prozess (heavyweight process) = virtueller Rechner ( virtueller Prozessor + virtueller Speicher + virtuelle Peripherie ) bs

17 Mehrprozessbetrieb (multitasking, multiprogramming): Anzahl der Prozesse ist nicht durch die Anzahl der Prozessoren beschränkt bs

18 Mehrprozessbetrieb (multitasking, multiprogramming): Anzahl der Prozesse ist nicht durch die Anzahl der Prozessoren beschränkt Schnappschuss der Prozessorzuordnung (processor allocation): Prozesse aktiv bereit wartend Prozessoren bs

19 Die Zuordnung wechselt: Multiplexen des Prozessors (processor multiplexing) Zustandsübergänge eines Prozesses p : (mit Operationen block/wake ) anderer Prozess macht block() bereit aktiv block() wake(p) wartend bs-1.1 anderer Prozess macht wake(p) falls aktiver Prozess verdrängt werden kann

20 Warum Mehrprozessbetrieb? Teilnehmer- bzw. Server-Betrieb Effiziente Nutzung des Systems angesichts unterschiedlicher Ressourcen-Anforderungen verschiedener auszuführender Programme bs

21 Beispiel: CD Software installieren Festplatte Drucker Dokument drucken... und noch freie Prozessorkapazität für rechenintensives Programm im Hintergrund bs

22 1.1.2 Speicherverwaltung Betriebsmittel: virtualisiert: Arbeitsspeicher virtueller Adressraum (virtual address space) Von virtuellem Speicher (virtual memory) ( 5) spricht man, wenn der virtuelle Adressraum größer als der Arbeitsspeicher sein kann und teilweise auf Hintergrundspeicher ausgelagert werden kann. bs

23 Schnappschuss der Speicherzuordnung (memory allocation): [Speicheralloziierung falsche Übersetzung] Virtuelle Adressräume der (schwergewichtigen) Prozesse Arbeitsspeicher Betriebssystem bs-1.1 Multiplexen des Arbeitsspeichers durch Umlagerung (swapping) der Prozesse zwischen Arbeitsspeicher und Hintergrundspeicher

24 Zustandsübergänge eines Prozesses: aktiv bereit wartend eingelagert ausgelagert bs

25 1.1.3 Dateiverwaltung Betriebsmittel: Langzeitspeicher (Platte, Band, stick,...) virtualisiert: Datei (file) = benanntes, persistentes Objekt a b c d e f g bs

26 1.1.4 Druckerverwaltung Betriebsmittel: reale Drucker virtualisiert: virtuelle Drucker Spooling Auf verschiedene Weise realisierbar, z.b. so: jeder Prozess besitzt einen eigenen virtuellen Drucker, auf dem er mit print(text) drucken kann. (Zwischenspeicherung der Ausgabe auf Hintergrundspeicher!) komfortabel und effizient bs

27 1.1.5 Weitere Peripherie Betriebsmittel: Bildschirm + Tastatur/Maus virtualisiert: Fenster + Tastatur/Maus Betriebsmittel: virtualisiert: Netzanschluss Port usw.... bs