I. Einführung. Inhalt. Was ist ein Betriebssystem? 2(4) Was ist ein Betriebssystem? 3(4) Was ist ein Betriebssystem? 1(4)

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1 Vorlesung Betriebssysteme I. Einführung Prof. Dr. Jens Grabowski Tel OS (WS 04/05) I-1 Was ist ein Betriebssystem? 2(4) Aufbau von Rechensystemen Banksystem Flug- Reservierung Spiele Compiler Editor Kommandointerpreter Betriebsystem Maschinensprache Mikroprogrammierung Physikalische Geräte Anwendungsprogramme Systemprogramme Hardware Betriebssystem: Kern- (oder Supervisor-) Modus D.h. Betriebssystem wird durch die Hardware vor Zugriffen durch den Benutzer geschützt. Compiler, Editoren, Anwendungsprogramme: Benutzermodus OS (WS 04/05) Einführung I-4 Was ist ein Betriebssystem? 3(4) Es gibt zwei Sichten auf ein Betriebssystem: Anwendersicht: Top-Down-Sicht Betriebssystem ist eine virtuelle Maschine BS-Entwicklersicht: Bottom-Up-Sicht Betriebssystem ist ein Betriebsmittel- (Ressourcen-) Verwalter OS (WS 04/05) Einführung I-2 OS (WS 04/05) Einführung I-5 Was ist ein Betriebssystem? 1(4) Computer-Software gliedert sich in zwei Gruppen: Systemprogramme Ermöglichen den Betrieb des Computers. Anwenderprogramme Helfen dem Anwender seine Probleme zu lösen. Das wichtigste Systemprogramm ist das Betriebssystem. Definition Betriebssystem (DIN 44300): "Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften dieser Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und die insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen." OS (WS 04/05) Einführung I-3 Was ist ein Betriebssystem? 4(4) Def. Betriebssystem als virtuelle Maschine Ein Betriebssystem ist eine virtuelle Maschine, die dem Anwender eine einfache (dateiorientierte) Schnittstelle zur Hardware zur Verfügung stellt und einen Programmierung dieser Hardware auf hohem logischen Niveau ermöglicht. Def. Betriebssystem als Ressourcenverwalter Ein Betriebssystem bezeichnet alle Programme eines Rechensystems, die die der Benutzerprogramme, die Verteilung der Ressourcen auf die Benutzerprogramme und die Aufrechterhaltung der Betriebsart steuern und überwachen. Def. Ressourcen (Betriebsmittel) Die Ressourcen (Betriebsmittel) eines Betriebssystems sind alle Hard- und Softwarekomponenten, die für die Programmausführung relevant sind. Betriebsmittel: Prozessor, Hauptspeicher, I/O-Geräte, etc. OS (WS 04/05) Einführung I-6 1

2 Aufgaben eines Betriebssystems 3(6) Verwaltung des Dateisystems Logische Sicht auf Speichereinheiten (Dateien) Benutzer arbeitet mit Dateinamen. Wie und wo die Dateien gespeichert werden, ist ihm egal. Systemaufrufe für Dateioperationen Erzeugen, Löschen, Öffnen, Lesen, Schreiben, Kopieren, etc. Strukturierung mittels Verzeichnissen (Directory) OS (WS 04/05) Einführung I-7 OS (WS 04/05) Einführung I-10 Aufgaben eines Betriebssystems 1(6) Prozessverwaltung (Ein Prozess oder auch Task ist ein in befindliches Programm) Erzeugen und Löschen von Prozessen Prozessorzuteilung (Scheduling) Prozesskommunikation Synchronisation nebenläufiger Prozesse, die gemeinsame Daten benutzen Speicherverwaltung Zuteilung des verfügbaren physikalischen Speichers an Prozesse Einbeziehen des Hintergrundspeichers (Platte) durch virtuelle Adressierung, demand Paging, Swapping (= Ein-/Auslagern von Prozessen), etc. OS (WS 04/05) Einführung I-8 Aufgaben eines Betriebssystems 4(6) Verwaltung des Dateisystems (cont.) Schutz von Dateien und Verzeichnissen vor unberechtigtem Zugriff Unix: 9-Bit für Zugriffsrechte (Read, Write, execute) Datei/Verzeichnis gehört einem Eigentümer (user) und einer Benutzergruppe (group, z.b. Mitarbeiter, Projekt, etc.) z.b. user rwx group r-- others r-- Befehl: > chmod g+w Uebung.txt führt zu: user rwx group rwothers r-- Dateiname Uebung.txt Dateiname Uebung.txt OS (WS 04/05) Einführung I-11 Aufgaben eines Betriebssystems 2(6) Speicherverwaltung cont. Beinhaltet die Verwaltung der schon vom von-neumann Rechner bekannten Speicherhierarchie. (Die Zahlen in der Grafik sind nur sehr grobe Schätzungen) Aufgaben eines Betriebssystems 5(6) Geräteverwaltung Auswahl und Bereitstellung von I/O-Geräten Anpassung an physikalische Eigenschaften der Geräte Überwachung der Datenübertragung Monitoring, Accounting, Auditing Erstellen & Verwalten von Systemstatistiken Aktuelle Auslastung Aktueller freier Speicher Netzverkehr Optionale Aufgaben Laufzeit von Prozessen mitprotokollieren Speicherbedarf von Prozessen mitprotokollieren Eingeloggte Benutzer mitprotokollieren etc. OS (WS 04/05) Einführung I-9 OS (WS 04/05) Einführung I-12 2

3 Aufgaben eines Betriebssystems 6(6) Weitere wichtige Aspekte: Fehlertoleranz Graceful Degradation: Beim Ausfall einzelner Komponenten läuft das System mit vollem Funktionsumfang mit verminderter Leistung weiter. Fehlertoleranz wird durch Redundanz erkauft. Realzeitbetrieb Betriebssystem muss den Realzeit-kritischen Prozessen die Betriebsmittel so zuteilen, dass die angeforderten Zeitanforderungen eingehalten werden. Für zeitkritische Systeme: Meßsysteme, Anlagensteuerungen, etc. Benutzeroberflächen Betriebssystem muss eine ansprechende Benutzerschnittstelle für die eigene Bedienung enthalten. Betriebssystem muss Funktionen bereitstellen, mit denen aus Anwendungsprogrammen heraus auf die Benutzerschnittstelle zugegriffen werden kann. OS (WS 04/05) Einführung I-13 Betriebsarten von Betriebssystemen 2(4) Stapelverarbeitung (Batchbetrieb) Bessere Ausnutzung des Prozessors durch Lochkarten, etc. Auftrag 1 Eingabe Ausgabe Benutzer 1 Benutzer 2 Auftrag 2 Auftrag 3 Eingabe Ausgabe Eingabe Ausgabe OS (WS 04/05) Einführung I-16 Betriebsarten von Betriebssystemen 3(4) Stapelverarbeitung mit Spooling Erfordert eigene I/O-Prozessoren Eingabeprozessor Hauptprozessor Ausgabeprozessor Mehrprogrammbetrieb (Multiprogramming) OS (WS 04/05) Einführung I-14 OS (WS 04/05) Einführung I-17 Betriebsarten von Betriebssystemen 1(4) Einbenutzerbetrieb mit Einzelauftragsbearbeitung (Single User Mode) Auftrag 1 Benutzer 1 Auftrag 2 Benutzerwechsel Benutzer 2 Auftrag 3 Betriebsarten von Betriebssystemen 4(4) Dialogbetrieb Interaktiver Dialog mit dem Benutzer Ggf. in Kombination mit Batchbetrieb Ggf. in Kombination mit mehreren Benutzern gleichzeitig über mehrere Terminals Eingabe Ausgabe Eingabe Ausgabe Eingabe Ausgabe = Prozessor arbeitet OS (WS 04/05) Einführung I-15 OS (WS 04/05) Einführung I-18 3

4 Struktur von Betriebssystemen 3(10) Allgemeine Schalenstruktur von UNIX und Linux OS (WS 04/05) Einführung I-19 OS (WS 04/05) Einführung I-22 Struktur von Betriebssystemen 1(10) Monolithische Systeme (aus einem Block) Unstrukturiert Struktur von Betriebssystemen 4(10) Betriebssystem als virtuelle Maschine Abstraktion betrifft nicht nur die Hardware, sondern kann auch höhere Funktionen betreffen. Minimale Struktur OS (WS 04/05) Einführung I-20 OS (WS 04/05) Einführung I-23 Struktur von Betriebssystemen 2(10) Hierarchische Betriebssysteme Folgen im Gegensatz zu monolithischen Systemen einem strengen Ordnungsprinzip Bildlich: Folge von ineinanderliegenden Schalen Struktur von Betriebssystemen 5(10) Andere virtuelle Maschinen: OS (WS 04/05) Einführung I-21 OS (WS 04/05) Einführung I-24 4

5 Struktur von Betriebssystemen 6(10) Minimale Kerne (engl. Microkernel) Kern mit minimalen Betriebssystemfunktionen um einen großen Hardware-nahen Kern zu vermeiden. Hardware Struktur von Betriebssystemen 9(10) smodi Kernel Mode Hohe Priorität und wenige Einschränkungen um die Konsistenz des Kerndaten zu erhalten. User Mode Niedrige Priorität und Einschränkungen um die Konsistenz der Kerndaten nicht zu gefährden. Modi werden von der Hardware unterstützt. OS (WS 04/05) Einführung I-25 OS (WS 04/05) Einführung I-28 Struktur von Betriebssystemen 7(10) Minimale Kerne folgen dem Client-Server-Modell in verteilten Systemen Struktur von Betriebssystemen 10(10) OS (WS 04/05) Einführung I-26 OS (WS 04/05) Einführung I-29 Struktur von Betriebssystemen 8(10) OS (WS 04/05) Einführung I-27 OS (WS 04/05) Einführung I-30 5

6 Geschichte der Betriebssysteme 1(7) Vor den elektronischen Rechnern Charles Babage ( ) Versuchte die analytische Maschine zu entwickeln (scheiterte an der damaligen Technologie) Erkannte aber das er Software für diese Maschine brauchen würde und stellte hierfür Ada Lovelace (Tochter des Dichters Lord Byron). Ada Lovelace gilt als die erste Programmiererin Die Programmiersprache Ada wurde nach ihr benannt. Die erste Generation ( ) Röhren (bis zu ) Programmierung mit Steckkarten Pioniere: Konrad Zuse, Howard Aiken, John von Neumann, J. Presper Eckert, William Mauchley OS (WS 04/05) Einführung I-31 Geschichte der Betriebssysteme 4(7) Struktur eines typischen FMS-Jobs (FORTRAN Monitor System, BS der zweiten Generation) OS (WS 04/05) Einführung I-34 Geschichte der Betriebssysteme 2(7) Die zweite Generation ( ) Transistoren Programmierung mit Lochkarten Betriebssystem für den Batch-Betrieb Geschichte der Betriebssysteme 5(7) Die dritte Generation ( ) Entwicklung integrierter Schaltkreise Rechnerfamilie IBM 360 mit OS/360 Neu: Multiprogramming, um I/O-Wartezeiten auszunutzen In diese Zeit fällt auch die Entwicklung von UNIX und C Beispiel: Mehrprogrammsystem mit drei Jobs im Speicher Dritte Generation OS (WS 04/05) Einführung I-32 OS (WS 04/05) Einführung I-35 Geschichte der Betriebssysteme 3(7) Frühes Stapelverarbeitungssystem: bring cards to 1401 read cards to tape put tape on 7094 which does computing put tape on 1401 which prints output OS (WS 04/05) Einführung I-33 Geschichte der Betriebssysteme 6(7) Die vierte Generation ( ) Hochintegrierte Schaltkreise Leistungsfähige Einbenutzersysteme: PCs mit MS-DOS Workstations mit UNIX Ferner: IBM OS/2, Linux Die fünfte Generation ( ) Verteilte Systeme durch Vernetzung Kommunikation über Nachrichten Netzbetriebssysteme Definition Netzbetriebssystem: Ein Netzbetriebssystem ist ein Betriebssystem, das um einen Kommunikationsmechanismus erweitert wurde, so daß Kommunikation und Kooperation zwischen Betriebssystemen möglich ist und damit der Zugriff auf entfernte Ressourcen. OS (WS 04/05) Einführung I-36 6

7 Geschichte der Betriebssysteme 7(7) Der heutige Betriessystem-Zoo Mainframe operating systems Server operating systems Multiprocessor operating systems Personal computer operating systems Real-time operating systems Embedded operating systems Smart card operating systems POSIX Standards von Betriebssystemfunktionen mit dem Ziel, die Portabilität von Programmen zu verbessern. POSIX-Standards werden durch eine Arbeitsgruppe des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ausgearbeitet und lehnen sich an UNIX an. POSIX Standards (Stand 1994) POSIX.0 Guide and overview POSIX.11 Transaction processing POSIX.1 Library functions POSIX.12 Protocol independent communication POSIX.2 Shell and utilities POSIX.13 Real-time profiles POSIX.3 Test methods and conformance POSIX.14 Multiprocessor profile POSIX.4 Real-time extensions POSIX.15 Batch/supercomputer extensions POSIX.5 Ada language binding to POSIX.1 POSIX.16 Language-independent POSIX.1 POSIX.6 Security extensions POSIX.17 Directory/name services POSIX.7 System administration POSIX.18 Basic POSIX system profile POSIX.8 Transparent file access POSIX.19 Fortran-90 binding to POSIX.4 POSIX.9 Fortran 77 binding to POSIX.1 POSIX.20 Ada binding to POSIX.4 POSIX.10 Supercomputing profile POSIX.21 Distributed real-time OS (WS 04/05) Einführung I-37 OS (WS 04/05) Einführung I-40 OS (WS 04/05) Einführung I-38 Standardisierung Einige relevante Standards AT&T: System V Interface Definition (SVID) 1985 OSF: Distributed Computing Environment (DCE) 1995 OSF: Motif 2.0 Graphical User Interface Toolkit 1994 X/OPEN Portability Guide (XPG-1,..., XPG-4) 1984 IEEE Portable Operating System Interface based on UNIX (POSIX) 1989 OpenGroup: Single UNIX Specification Version OpenGroup: Common Desktop Environment (CDE) ANSI/ISO: Programmiersprache C (X3.159, ISO/IEC 9899) 1989 ANSI/ISO: Programmiersprache C++ (X3J16) 1998 OS (WS 04/05) Einführung I-39 7