die meisten Rechner haben ein Betriebssystem (operating system) welche Aufgaben hat ein Betriebssystem? es verwaltet die Hardware des Rechners

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1 Betriebssysteme Folie Übersicht die meisten Rechner haben ein Betriebssystem (operating system) (Sehr kleine Systeme im Bereich der Embedded Systems und einige Spezialrechner haben kein Betriebssystem. In diesen Fällen wird die Hardware direkt von den Anwendungsprogrammen verwaltet. Die ersten Rechner hatten ebenfalls kein Betriebssystem.) welche Aufgaben hat ein Betriebssystem? es verwaltet die Hardware des Rechners es verwaltet die Programme, die ausgeführt werden es steuert und protokolliert den Betriebsablauf grundlegende Aufgaben Ablaufsteuerung für alle Prozesse Festlegung der Priorität Zuteilung und Entzug von Betriebsmitteln, z. B. Prozessor, Hauptspeicher, usw. Bereitstellung und Steuerung der Kommunikationskanäle zwischen Prozessen Schutz der Prozesse vor anderen Prozessen Hauptspeicherverwaltung Dateiverwaltung Verwaltung der Ein-/Ausgabegeräte Unterstützung beim Zugriff auf Netzwerke

2 Betriebssysteme Folie 1-2 Unterbrechungsbehandlung Ablauf einer Zeiteinheit Ende einer Ein-/Ausgabeoperation Anforderung eines Systemdienstes durch ein Programm Division durch Null usw. Vorteile eines Betriebssystems viele Programme können (quasi) gleichzeitig ausgeführt werden Programmerstellung wird vereinfacht, da es den Entwicklern eine Schnittstelle zur Benutzung der Hardware zur Verfügung stellt, so dass die Hardware nicht mehr direkt programmiert werden muss es die Kommunikation zwischen Programmen vereinfacht Aufträge können im Hintergrund abgewickelt werden Betriebssystemkern (operating system kernel) ist die unterste Ebene und wird beim Starten des Rechners geladen und ausgeführt (Betriebssystemkern läuft immer parallel zu allen anderen Programmen) jedes Betriebssystem wird mit Systemprogrammen ausgeliefert

3 Betriebssysteme Folie 1-3 Systemprogramme unterstützen die Kommunikation mit dem System (Kommandointerpreter, Shell) Benutzerverwaltung Authentifizierung der Benutzer Erfassung und Abrechnung von Leistungen (accounting) Sicherung und Wiederherstellung von Daten und vieles mehr (z. B. Dateimanipulationen: erzeugen, löschen, umbenennen, Rechte oder Eigentümer ändern,...) die meisten Betriebssysteme werden heute mit einer grafischen Benutzeroberfläche (Graphical User Interface) ausgeliefert (Die GUI ist im Allgemeinen kein Bestandteil des Betriebssystems, sondern ein separates Programm (GNOME-Desktop, KDE-Desktop, Common Desktop Environment, usw.))

4 Betriebssysteme Folie 1-4 einige Höhepunkte in der Rechner- und Software-Entwicklung 1941 Zuse Z3, erster frei programmierbarer digitaler Rechner, Relais, kein Betriebssystem 1946 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer, University of Pennsylvania), erster elektronischer Rechner, Röhren, kein Betriebssystem 1950 ERA 1101 (Engineering Research Associates), erster kommerzieller Rechner mit Magnettrommelspeicher 1951 Wang Labs entwickeln den Magnetkernspeicher (wurde 1952 in Harvard Mark-IV eingebaut) 1954 ERA 1103A (Remington Rand), vermutlich erster kommerzieller Rechner mit Magnetkernspeicher (Engineering Research Associates wurde in Remington Rand eingegliedert) 1955 TRADIC (TRansistorized Airborne DIgital Computer, Bell Forschungslaboratorien), erster Rechner mit Transistoren 1955 GM OS für IBM 701, General Motors entwickelt den ersten batch processing monitor (Vorläufer des heutigen Betriebssystems) 1956 IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), erster kommerzieller Rechner mit Festplatte 1956 IBM 704, Magnetkernspeicher, Gleitkommaarithmetik, ab 1957 FORTRAN, GM/NAA I/O-System (Weiterentwicklung von GM OS durch General Motors und North American Aviation) 1959 SHARE Operating System/SHARE Library für IBM 704 (Weiterentwicklung von GM/NAA I/O-System durch SHARE User Group (Benutzergruppe für IBM-Rechner, 1955 gegründet). IBM hat das Betriebssystem dann unter dem Namen IBSYS für die Rechner IBM 7090/7094 weiterentwickelt.) 1960 PDP-1 (Programmed Data Processor-1, Digital Equipment Corporation), erster Minicomputer, Kernspeicher, Monitor und Lichtgriffel (light pen) für interaktive Eingabe, 1962

5 Betriebssysteme Folie 1-5 erstellt Bolt Beranek and Newman (BBN) ein Timesharing- Betriebssystem für die PDP CTSS (Compatible Time-Sharing System, MIT) 1962 Steve Russell (MIT) schreibt die erste Version des Computerspiels Spacewar auf einer PDP Douglas Engelbart erfindet die Computer-Maus 1966 IBM System/360 Modell 67, Magnetkernspeicher, dynamische Adressumsetzung, Betriebssystem CP-67 mit virtuellen Maschinen 1969 Ken Thompson schreibt UNIX in Assemblersprache auf PDP Intel 1101, erstes SRAM (Static Random Access Memory, Speicherkapazität: 256 Bit) 1970 Intel 1103, erstes DRAM (Dynamic Random Access Memory, Speicherkapazität: 1024 Bit) 1971 Intel 1702, erstes EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory, Speicherkapazität: 2048 Bit) 1971 Intel 4004, erster Mikroprozessor 1971 Intel MCS-4 (MicroComputer Set 4-bit), erster Mikrocomputer Chipsatz 1971 Kenbak-1 (Kenbak Corporation), wird von vielen als erster kommerzieller Heim-Computer ( PC ) angesehen, Prozessor aus TTL-Bausteinen (Transistor-Transistor-Logik) aufgebaut 1971/72 Ken Thompson und Dennis Ritchie entwickeln C Reimplementierung von UNIX in C erstes portables Betriebssystem

6 Betriebssysteme Folie Micral-N (R2E, Réalisation et Etudes Electroniques), erster Rechner mit Mikroprozessor (Intel 8008) 1973 Xerox Alto (Xerox PARC), erster Rechner mit grafischer Benutzeroberfläche und Maus 1974 Hewlett Packard HP-65, erster programmierbarer Taschenrechner 1975 Altair 8800 (Micro Instrumentation and Telemetry Systems, MITS), einer der ersten Heim-Computer (Intel 8080 Mikroprozessor), hat höheren Bekanntheitsgrad als Micral-N, Scelbi-8H (1974, Intel 8008) oder Mark-8 (1974, Intel 8008) 1976 Mikroprozessor-Betriebssystem CP/M (Digital Research) 1981 Microsoft MS-DOS IBM 5150 (IBM PC), 4.77 MHz Intel 8088-Prozessor, 16 KB Hauptspeicher (erweiterbar auf 64 KB), ein oder zwei 5.25 Diskettenlaufwerke für 160 KB Disketten (vier Hauptspeicherbänke für je neun 16 K Bit DRAMs, eine Bank bestückt) 1983 Apple Lisa, erster Heim-Computer mit grafischer Oberfläche 1985 Microsoft Windows Tim Berners-Lee stellt das World Wide Web (WWW) vor 1991 Linus Torvalds stellt Linux vor, 1994: Version Apple Newton, der erste Personal Digital Assistant (PDA) 1995 Sun Microsystems stellt Java vor 1996 Extensible Markup Language (XML, 1st draft) 2002 Java Web Services Developer Pack (1st release)

7 Betriebssysteme Folie 1-7 wo befindet sich das Betriebssystem auf einem Rechner? /bin/cat /bin/ls library open (...), close (...), read (...),... user programs system call entry scheduling filesystem management memory management operating system kernel disk terminal null device drivers disk controller serial line controller memory CPU hardware terminal disk Betriebssystem muss für alle Hardware-Komponenten sogenannte Treiberprogramme zur Verfügung stellen alle Dienste können über Systemfunktionen benutzt werden

8 Betriebssysteme Folie 1-8 wie sieht die Hardware eines Arbeitsplatzrechners (PCs) aus? CPU 1 core 1 processing units... core n processing units CPU n core 1 processing units... core n processing units 1st level cache 1st level cache... 1st level cache 1st level cache 2nd level cache 2nd level cache 3rd level cache 3rd level cache Front Side Bus / System Bus Main Memory PCI-X Slots... Graphics Controller Gigabit- Ethernet PCI-X Hub North Bridge (Memory Controller Hub) Channel A Channel B Memory Controller Memory Controller RDRAM, DDR-SDRAM, SDRAM,... RDRAM, DDR-SDRAM, SDRAM,... System Management Bus IEEE1394 Firewire South Bridge (I/O Controller Hub) USB WLAN Bluetooth 10/100 Mbit/s Ethernet AC'97 link Audio Codec Modem Codec SCSI Controller PCI-Slots IDE drives Serial ATA Realtime Clock, Interrupt Controller, Power Management, DMA Controller, Timer,... Low Pin Count Interface (LPC) Firmware Hub Super I/O Controller Serial Ports Parallel Ports Infrared Port Game Port Midi Port...

9 Betriebssysteme Folie 1-9 von besonderer Bedeutung ist die Architektur der CPU (Anzahl und Art der Register, Maschinensprache), da sie einen direkten Einfluss auf die Effizienz und Struktur des Betriebssystems hat Prozessoren haben u. U. mehrere Registersätze (hyperthreading) oder mehrere Kerne (multi-core), so dass verschiedene Threads gleichzeitig ausgeführt werden können prinzipieller Aufbau eines einfachen Prozessors Speicher Befehlsregister Operationsteil Adressteil Steuerwerk (Leitwerk) Befehlszählregister Ein/Ausgabe- Steuerung Decodierer Adressberechnung Mikroprogrammeinheit +1 Speicher Speicher Speicher Kontroll- und Steuerschaltung Registerblock Rechenwerk arithmetischlogische Einheit (ALU) Befehle der Maschinensprache werden über ein Mikroprogramm realisiert, das im Allgemeinen fest verdrahtet ist Rechenwerk erhält seine Anweisungen (welche Operanden wie verknüpft werden sollen) vom Steuerwerk Prozessoren haben u. U. mehrere Verarbeitungseinheiten für Gleitkommazahlen und ganze Zahlen

10 Betriebssysteme Folie 1-10 heutige Prozessortypen auf einem Chip (Chip Multiprocessor, CMP) conventional microprocessor CPU core Execution Unit SIMD FP FPU Int Unit... microprocessor with hyperthreading CPU core Execution Unit SIMD FP FPU Int Unit... L1 i-cache L1 d-cache L1 i-cache L1 d-cache L2 cache L2 cache main memory main memory multi-core microprocessor with separate L2 caches CPU core1 Execution Unit SIMD FP FPU Int Unit... CPU core n Execution Unit SIMD FP FPU Int Unit L1 i-cache L1 d-cache L1 i-cache L1 d-cache L2 cache L2 cache main memory multi-core microprocessor with shared L2 cache CPU core1 Execution Unit SIMD FP FPU Int Unit... CPU core n Execution Unit SIMD FP FPU Int Unit L1 i-cache L1 d-cache L1 i-cache L1 d-cache L2 cache main memory (Das Betriebssystem muss die entsprechende Architektur kennen und unterstützen, wenn die Anwendungsprogramme von der verbesserten Architektur profitieren sollen. Eine CPU mit n Registersätzen (HT-Technologie, hyperthreading) kann wie ein System mit n virtuellen CPUs behandelt werden. Jeder logische Prozessor hat auch seine eigene Unterbrechungssteuerung usw. Da sich alle logischen Prozessoren den L1-Cache, den Bus, die Ausführungseinheit (execution unit), Sprungvorhersage (branch prediction) usw. teilen, ist ein Prozessor mit HT-Technologie nicht so leistungsfähig wie ein Prozessor mit mehreren Kernen. Die obigen Chip-Prozessoren können dann noch zu echten Mehrprozessorsystemen zusammengeschaltet werden.)

11 Betriebssysteme Folie Betriebssystemarchitekturen traditionelle Betriebssysteme besitzen einen relativ großen monolithischen Kern (UNIX, VMS,...) neuere Betriebssysteme benutzen einen dynamischen Betriebssystemkern (Solaris, Linux,...) sehr kleinen Mikrokern (microkernel architecture), der nur eine rudimentäre Funktionalität besitzt (L4, Fiasco, QNX,...) Monolithischer Betriebssystemkern (Makrokern) alle Funktionen werden im selben Adressraum (kernel space) erbracht sehr hohe Systemleistung Kern enthält alle traditionellen Funktionen (Prozessverwaltung, Hauptspeicherveraltung, Dateiverwaltung, Netzwerkdienste,...) u. U. sehr unübersichtlich, da jede Funktion alle Datenstrukturen im Kern ändern und jede andere Funktion aufrufen darf (Die Pflege des Betriebssystems ist im Allgemeinen sehr schwer, da die Abhängigkeiten der Komponenten leicht dazu führen können, dass bei der Weiterentwicklung des Systems ein kleiner Fehler das gesamte Betriebssystem zum Absturz bringt.) Kern enthält die Treiber für alle Geräte, die eventuell an dem Rechner betrieben werden sollen Verschwendung von Hauptspeicher

12 Betriebssysteme Folie Dynamischer Betriebssystemkern (Modulkonzept) im Prinzip ein besser strukturierter monolithischer Kern der eigentliche Kern, der sich immer im Hauptspeicher befindet, enthält nur die Funktionen, die häufig benutzt werden (u. a. muss dieser Teil das Dateisystem kennen, in dem die Module gespeichert sind, so dass er sie bei Bedarf nachladen kann) spezielle Gerätetreiber, verschiedene Dateisysteme, Netzwerkdienste usw. sind als Module konzipiert und werden bei Bedarf hinzu geladen nicht mehr benötigte Module werden nach einiger Zeit aus dem Hauptspeicher entfernt Beispiel (Module unter Linux) /lib/modules/ # dir drwxr-xr-x 2 root root 1024 Oct 3 15:57 block/ drwxr-xr-x 2 root root 1024 Oct 3 15:57 misc/ -rw-r--r-- 1 root root 611 Feb 7 10:42 modules.dep... /lib/modules/ # dir block -rw-r--r-- 1 root root Oct 3 15:35 floppy.o /lib/modules/ # dir misc -rw-r--r-- 1 root root Oct 3 15:37 ftape.o -rw-r--r-- 1 root root Oct 3 15:45 ipx.o -rw-r--r-- 1 root root 8576 Oct 3 15:35 lp.o Beispiel (Laden und automatisches Entfernen der Module) / # mount -t msdos /dev/fd0 /mnt / # lsmod Module: #pages: Used by: floppy 11 1 (autoclean) / # umount /mnt / # lsmod Module: #pages: Used by: floppy 11 0 (autoclean) / # tar vft /dev/ftape... / # lsmod Module: #pages: Used by: ftape 43 0 (autoclean)

13 Betriebssysteme Folie Mikrokern-Betriebssystem nur die Basis-Funktionen werden im Adressraum des Betriebssystemkerns (kernel space) erbracht alle anderen Funktionen werden im Benutzer-Adressraum (user space) erbracht ggf. Leistungseinbußen, wegen häufigem Wechsel zwischen kernel mode und user mode ggf. Leistungseinbußen, weil eine Nachrichtenübertragung an Stelle von Prozeduraufrufen benutzt wird Betriebssystemcode kann u. U. modular entwickelt werden Code kann im Benutzer-Adressraum einfacher getestet werden ( normale Entwicklungsumgebung; ein Fehler bringt nicht das ganze Betriebssystem zum Absturz ) Basis-Funktionen im Mikrokern Basis-Mechanismen zur Prozesserzeugung und zum Scheduling grundlegende Mechanismen zur Nachrichtenübermittlung (message passing) Basis-Mechanismus zur Speicherverwaltung grundlegende Mechanismen zur Ein-/Ausgabe eine Aufgabe wird nur dann im Mikrokern erledigt, wenn die Funktionalität des Systems nicht gewährleistet ist, wenn die Aufgabe außerhalb des Mikrokerns erbracht wird

14 Betriebssysteme Folie 1-14 traditionelle Funktionen des Betriebssystemkerns (Prozessverwaltung, Dateiverwaltung, Netzwerkdienste,...) werden im normalen Adressraum (user space) bereitgestellt Funktionalität kann verteilt werden (verteilte Betriebssysteme auf Basis einer Client/Server-Architektur) einfachere Pflege des Systems verschiedene Betriebssysteme können gleichzeitig auf einem Rechner einfach emuliert werden Makrokern-Architektur Mikrokern-Architektur Anwendung user mode Anwendung Netzwerk- Server Speicher- Server Systemdienste kernel mode Datei- Server Prozess- Server Dateisystem user mode...- Server Speicher- und E/A- Geräteverwaltung kernel mode Mikrokern Prozessorund Prozesssteuerung Hardware Hardware Dienst- / Funktionsaufruf Antwort / Ergebnis

15 Betriebssysteme Folie Hybrider Betriebssystemkern Kompromiss zwischen monolithischem Kern und Mikrokern nutzt möglichst viele Vorteile beider Architekturen Beispiele: Windows NT/2000/XP/..., Plan 9 (verteiltes Betriebssystem) Virtuelle Maschinen virtuelle Maschine ist eine spezielle Software, die zwischen dem Rechner und dem sogenannten Gast-Betriebssystem angesiedelt ist und dem Gast-Betriebssystem eine virtuelle Ablaufumgebung zur Verfügung stellt IBM VM/CP-67 war eines der ersten Betriebssysteme, das virtuelle Maschinen zur Verfügung stellte (1966) verschiedene Arten virtueller Maschinen CPU-Emulatoren Betriebssystem-Emulatoren virtuelle Ablaufumgebung für verschiedene Betriebssysteme virtuelle Ablaufumgebungen innerhalb eines Betriebssystems

16 Betriebssysteme Folie 1-16 virtuelle Maschinen können inzwischen auch auf Arbeitsplatzrechnern eingesetzt werden, da die Hardware dafür jetzt ausreichend leistungsfähig ist Realisierungsmöglichkeiten native applications app 1 virtual hardware... guest operating system 1... app 1... virtual hardware... guest operating system n virtual machine monitor host operating system hardware app 1 guest operating system 1 virtual hardware app 1 guest operating system n... virtual hardware... virtual machine monitor hardware 1) Verwaltungs-Software der virtuellen Maschinen (Virtual Machine Monitor, VMM, Hypervisor) kann auf einem sogenannten Wirt-Betriebssystem installiert werden (wird im Allgemeinen als hosted architecture bezeichnet) Rechner kann normal benutzt werden, da die Anwendungsprogramme des Wirt-Betriebssystems direkt auf dem Betriebssystem ausgeführt werden können die virtuellen Maschinen der verschiedenen Gast-Betriebssysteme können bei Bedarf gestartet und gestoppt werden (sie laufen als normale Anwendungsprogramme auf dem Wirt-Betriebssystem) VMM kann auf jeder Hardware installiert werden, auf der das Wirt-Betriebssystem läuft ggf. Leistungsminderung, da sich zwischen Anwendungsprogramm und Hardware zwei Betriebssysteme und der VMM befinden

17 Betriebssysteme Folie ) Verwaltungs-Software der virtuellen Maschinen wird direkt auf der Hardware des Rechners installiert (wird im Allgemeinen als stand-alone architecture, native architecture oder baremetall architecture bezeichnet) im Allgemeinen leistungsfähiger, da eine Verwaltungsebene fehlt benötigt im Allgemeinen spezielle Hardware (es werden z. B. nicht alle für einen PC verfügbaren Netzwerk- oder Grafikkarten unterstützt) 3) vollständige Virtualisierung die Hardware wird simuliert und das Gast-Betriebssystem läuft auf einem Interpreter (ist z. B. immer erforderlich bei CPU-Emulatoren) transparent für Gast-Betriebssystem (das Gast-Betriebssystem weiß nichts vom VMM und muss auch nicht modifiziert werden) im Allgemeinen relativ langsam 4) Paravirtualisierung stellt dem Gast-Betriebssystem eine Schnittstelle zur Verfügung (hypervisor calls), über die es quasi direkt auf die Hardware zugreifen kann Gast-Betriebssystem muss modifiziert werden im Allgemeinen sehr schnell

18 Betriebssysteme Folie 1-18 besondere Probleme mit x86-architekturen waren nicht für Virtualisierung ausgelegt (Der Zugriffsschutz ist durch zwei Bits auf vier Ringe eingeschränkt. Das Betriebssystem arbeitet im Allgemeinen im privilegierten Modus auf Ring 0 und die nichtprivilegierten Programme auf Ring 3. Damit das Gast-Betriebssystem in einer virtuellen Maschine laufen kann, muss es z. B. von Ring 0 verdrängt werden, damit der VMM im Ring 0 arbeiten und damit die Hardware kontrollieren kann. Da das Betriebssystem aber für Ring 0 konzipiert war, kann es nicht ohne weiteres auf einem Ring mit geringeren Privilegien ausgeführt werden. Das Betriebssystem will auch die vollständige Kontrolle über den virtuellen Speicher haben. Der VMM benötigt aber einen Teil des Speichers für seine Datenstrukturen (z. B. für die Interrupt Descriptor Table und Global Descriptor Table des IA-32-Prozessors), damit er problemlos zwischen den Programmen in der virtuellen Maschine und dem VMM umschalten kann. Falls ein normales Programm einen privilegierten Befehl benutzt, wird im Allgemeinen eine Fehlerunterbrechung erzeugt, die das Betriebssystem abfangen kann, um das Programm dann mit einer entsprechenden Fehlermeldung zu beenden. Wenn das Gast-Betriebssystem mit geringeren Privilegien ausgeführt wird, kann der VMM dessen Zugriffe auf privilegierte Befehle abfangen und die Aktion emulieren. Die x86-prozessoren besitzen leider privilegierte Befehle, die keine Unterbrechung erzeugen, wenn sie aus einem nicht-privilegierten Ring aufgerufen werden. Es gibt noch weitere Probleme, mit denen der VMM auf x86-architekturen kämpfen muss. Falls eine Paravirtualisierung benutzt wird, können die Probleme umgangen werden, indem das Gast-Betriebssystem so modifiziert wird, dass es anstelle der privilegierten Befehle entsprechende Funktionen der VMM-Schnittstelle (hypervisor calls, hypercall) benutzt. Eine andere Lösung besteht darin, dass die gesamte Hardware simuliert wird und alle Aktionen des Gast-Betriebssystems im VMM interpretiert werden. In diesem Fall läuft das unmodifizierte Gast-Betriebssystem auf einem Interpreter anstatt auf dem physikalischen Prozessor.) Problem durch neue Virtualisierungs-Hardware (Intel VT- Technik, AMD Pacifica Secure Virtual Machine Architecture (SVM) -Technik) in neueren Prozessoren behoben (Intel hat die Privilegien z. B. um neue Ringe für den VMM erweitert. Es gibt jetzt vier Ringe für sogenannte VMX root -Befehle und vier Ringe für VMX nonroot -Befehle. Der VMM benutzt VMX root -Befehle und das Gast-Betriebssystem VMX non-root -Befehle, die den bisherigen privilegierten Befehlen entsprechen, so dass das Gast-Betriebssystem nicht modifiziert werden muss und trotzdem nicht merkt, dass es jetzt auf einer virtuellen Maschine läuft. Da es jetzt, wie auf den älteren Prozessoren, direkt auf die Hardware zugreifen kann, ist es auch wieder entsprechend leistungsfähig. Ein Zugriff auf privilegierte Befehle erzeugt im Allgemeinen einen automatischen Kontextwechsel zum VMM. Inzwischen unterstützen die meisten VMMs diese Techniken.)

19 Betriebssysteme Folie 1-19 virtuelle Maschine eines Gast-Betriebssystems inklusiv aller Anwendungsprogramme ist nur eine große Datei, solange die virtuelle Maschine nicht gestartet wurde Datei kann einfach auf neuen Rechner kopiert werden Installation und Konfiguration von Betriebssystem und Programmen entfällt, wenn der neue Rechner eine entsprechende virtuelle Umgebung bereit stellt Einsatzgebiete Isolierung Application 1... Application n Application 1 Application n Operating System Operating... Operating System 1 System n Hardware Virtual Machine Monitor Hardware (Kann die Sicherheit und Zuverlässigkeit erhöhen, da Viren, Programmfehler oder ähnliches auf die jeweilige virtuelle Maschine begrenzt bleiben und damit keine Auswirkungen auf die anderen virtuellen Maschinen haben.) Konsolidierung Application 1 Application n Application 1 Application n Operating System 1... Operating System n Operating System 1... Operating System n Hardware 1 Hardware 2 Virtual Machine Monitor Hardware (Inzwischen gibt es in vielen Firmen sehr viele Server, die erhebliche Kosten (Strom, Wartung, ) verursachen. Da die Leistungsfähigkeit der Rechner immer größer wird, werden viele Server nicht mehr ausgelastet. Die Konsolidierung der Server auf eine Hardware-Plattform, kann erhebliche Kosten einsparen.)

20 Betriebssysteme Folie 1-20 Migration Application Application Operating System Operating System Virtual Machine Monitor Virtual Machine Monitor Virtual Machine Monitor Virtual Machine Monitor Hardware 1 Hardware 2 Hardware 1 Hardware 2 (Die Virtualisierung entkoppelt das Gast-Betriebssystem mit seinen Anwendungsprogrammen von der Hardware, so dass auf einfache Weise ein Lastausgleich zwischen verschiedenen Rechnern durchgeführt werden kann, wenn einzelne virtuelle Maschinen zur Laufzeit auf eine andere weniger stark belastete Plattform verschoben werden.)

21 Betriebssysteme Folie CPU-Emulatoren stellen die Maschinensprache eines anderen Prozessors zur Verfügung Einsatzgebiete: Entwicklung der System-Software für Rechner, deren Hardware parallel entwickelt wird, so dass Hardware und Software gleichzeitig fertig werden Ablaufumgebung für Software alter Prozessoren, z. B. Zilog Z80-Prozessor Motorola 6800 Emulation historischer Rechner, z. B. Zuse Z3 DEC PDP 1 MITS Altair 8800 Commodore C64 Java Virtual Maschine emuliert Hardware, die es zur Zeit nur als Spezifikation gibt kann in Hardware realisiert werden, wenn der Prozessor Byte- Code als Maschinensprache benutzt (Java-Prozessor)

22 Betriebssysteme Folie Betriebssystem-Emulatoren emulieren ein komplettes Betriebssystem, so dass Anwendungsprogramme für dieses System ausgeführt und entwickelt werden können (Ggf. müssen diese virtuellen Maschinen auf CPU-Emulatoren ausgeführt werden.) u. a. gibt es Emulatoren für CP/M, CP/M-86 oder CP/M-68K von Digital Research GEM (Graphical Environment Manager) von Digital Research TOS (The Operating System) von Atari Virtuelle Ablaufumgebungen virtuelle Ablaufumgebung für verschiedene Betriebssysteme dies ist das klassische Einsatzgebiet für virtuelle Maschinen es werden mehrere identische Umgebungen auf einem Rechner gestartet, in denen jeweils ein Betriebssystem installiert wird (Die Umgebungen können dasselbe Betriebssystem oder verschiedene Betriebssysteme enthalten. In der Microsoft Windows-Welt sind identische Betriebssysteme z. B. sinnvoll, wenn man verschiedene funktionsfähige Versionen von Microsoft Office benötigt (andernfalls ist nur die neueste Version richtig nutzbar). In der Ausbildung können damit z. B. Ablaufumgebungen geschaffen werden, in denen Studierende Administratorrechte haben und ein Betriebssystem installieren und konfigurieren können, ohne sich gegenseitig zu stören oder das Wirt-System kompromittieren zu können, sofern eines benötigt wird.) zuerst Software für virtuelle Maschinen installieren (Im PC-Bereich gibt es Software für Linux und Microsoft Windows. Sie wird entweder auf einem Wirt-Betriebssystem (host system) installiert (z. B. Microsoft Virtual PC, VMware Server) oder direkt auf der Hardware (z. B. VMware ESX-Server).)

23 Betriebssysteme Folie 1-23 Software emuliert einen virtuellen PC, dessen virtuelle Hardware-Konfiguration fest vorgegeben ist virtuelle Hardware des virtuellen PCs wird auf die reale Hardware (des Wirt-Systems) abgebildet auf den virtuellen PCs können verschiedene Gast-Betriebssysteme (guest system) installiert werden, zwischen denen per Mausklick gewechselt werden kann (Die Gast-Betriebssysteme müssen auf derselben Hardware lauffähig sein, da keine CPU-Emulation stattfindet. Auf diese Weise können auf einem Rechner z. B. verschiedene Linux-Distributionen, verschiedene Versionen von Linux und/oder verschiedene Microsoft Windows-Systeme installiert werden (z. B. Windows 95, Windows XP und Windows Vista).) virtuelle Ablaufumgebungen innerhalb eines Betriebssystems Wirt- und Gast-Betriebssystem sind identisch Einsatzgebiete: Virtualisierung der Umgebung, so dass z. B. verschiedene Benutzer Web-Server aufsetzen können, die dieselben virtuellen Port-Nummern benutzen (Da jeder Benutzer alle Betriebsmittel mehr oder weniger uneingeschränkt benutzen kann, hat er im Prinzip den Rechner für sich alleine. Er kann auch wieder Administratorrechte in der virtuellen Umgebung erhalten, ohne die Stabilität des Gesamtsystems beeinflussen zu können.) Kapselung der Umgebung, so dass ein Programm keine Änderungen außerhalb der Umgebung vornehmen kann (Dies wird oft auch als sandbox oder jail bezeichnet. Auf diese Weise wird eine bessere Isolation der Prozesse erreicht als wenn sie auf derselben Instanz eines Betriebssystems ausgeführt werden.) wird z. B. mit Container / Zone ab Solaris 10 realisiert

24 Betriebssysteme Folie Klassifizierung Betriebssysteme können auf verschiedene Weise klassifiziert werden mögliche Klassifizierungen nach unterstützten Betriebsarten (Dialogbetrieb, Echtzeitbetrieb,...) Einsatzgebieten ( normaler Rechner, Rechnernetz,...) Größe des Rechners (PC, Mini-Computer, Großrechner,...) Betriebsarten wo werden Rechner benutzt? Software-Entwicklung, Programmierausbildung, usw. Kennzeichen: interaktive Benutzung des Rechners sehr kurze Antwortzeiten gefordert (Quasi-)Parallel-Verarbeitung aufwendige Berechnungen (Statik einer Brücke, Animationen) Kennzeichen: überwiegend wird nur die CPU belastet E/A - Geräte werden kaum genutzt

25 Betriebssysteme Folie 1-25 Gehaltsabrechnung inkl. Ausdruck der Abrechnungsformulare Kennzeichen: geringe Belastung der CPU starke Belastung der Drucker Flugbuchungen durch Reisebüros Kennzeichen: viele Sichtgeräte/PCs an entfernten Orten alle Benutzer arbeiten mit dem gleichen Programm Steuerung einer industriellen Fertigungsstraße Kennzeichen: u. U. kurze Reaktionszeiten erforderlich, falls z. B. Fehler auftreten hohe Ausfallsicherheit muss gewährleistet sein unterschiedliche Anforderungsprofile stellen unterschiedliche Forderungen an das Betriebssystem Betriebsart: Art und Weise, in der Aufträge bearbeitet werden

26 Betriebssysteme Folie Stapel-, Dialog-, Echtzeitbetrieb Stapelbetrieb (batch processing) älteste Betriebsart Rechner erhält vollständig definierten Auftrag über eine Warteschlange (Früher z. B. über Lochkarten oder ein Magnetband und heute über eine spezielle Datei. Mit Hilfe einer sogenannten Job Control Language wird u. a. festgelegt, welche Ressourcen der Auftrag benötigt und auf welchen Systemen er ausgeführt werden soll.) Benutzer kann den Ablauf des Programms während der Ausführung nicht beeinflussen Ergebnisse des Programms werden in Dateien (heute) oder auf Magnetbänder (früher) geschrieben (früher auch auf Lochstreifen oder Lochkarten gestanzt) oder gedruckt (Papier) sehr gute Auslastung des Rechners ist möglich, da alle Betriebsmittel vorab bekannt sind heute im Allgemeinen als Hintergrundbetrieb bei Timesharing- Systemen (werden in einem späteren Kapitel vorgestellt) die Haupt-Betriebsart bei Hochleistungsrechnern (Es werden spezielle Produkte zur Verteilung der Aufträge eingesetzt, die auch Vorabreservierungen und ähnliches unterstützen. Bekannte Produkte sind z. B. der Load Leveler von IBM, die Load Sharing Facility von Platform Computing oder PBS pro (Portable Batch System) von Altair. Im Open Source -Bereich gibt es z. B. Open PBS oder den TORQUE Resource Manager sowie den MAUI Cluster Scheduler.

27 Betriebssysteme Folie 1-27 Dialogbetrieb (interactive processing) Benutzer kommuniziert direkt mit dem Rechner, z. B. über Tastatur, Maus und Bildschirm ein Auftrag ist vorab nicht festgelegt er kann vom Benutzer interaktiv gesteuert werden (vergleichbar mit einem Gespräch, das mit dem Rechner geführt wird) im Allgemeinen über ein Zeitscheibenverfahren realisiert Echtzeitbetrieb (real time processing) Steuerung von Maschinen/Robotern/... Zeitschranken müssen eingehalten werden Einsatzgebiet z. B. in der Prozessdatenverarbeitung (Mess-, Steuer-, Regelungstechnik) oder Unterhaltungselektronik (Set- Top Boxen, DVD-Spieler,...) Ein-/Mehrbenutzerbetrieb Einbenutzerbetrieb (single user mode) im Allgemeinen bei Arbeitsplatzrechnern zwingend bei einfachen Betriebssystemen (z. B. MS-DOS), die keinen Mehrprogrammbetrieb unterstützen

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