1.1 Zweck. Betriebssysteme. Was leistet ein Betriebssystem? -> Zwei Grundfunktionen:
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- Hermann Boer
- vor 8 Jahren
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1 1.1 Zweck Was leistet ein Betriebssystem? -> Zwei Grundfunktionen: Erweiterte Maschine: - verbirgt viele kleine, applikationsunabhängige Teilfunktionen - kann einfacher benutzt, d.h. auch programmiert werden als blanke Rechner-Hardware Betriebsmittelverwalter: - verwaltet zeitliche Zuteilung der Ressourcen (Zeit-Multiplex) - verwaltet räumliche Zuteilung der Ressourcen (Raum-Multiplex) kap1_einfuehrung.fm Folie 1
2 Funktionalitäten des Betriebssystems Hardware-unabhängige Programmierschnittstelle Geräteunabhängige Ein-/Ausgabe-Funktionen Ressourcenverwaltung Speicherverwaltung (Hauptspeicher) Massenspeicherverwaltung (Dateisystem) Parallelbetrieb (Multitasking) Interprozess-Kommunikation Sicherheistmechanismen kap1_einfuehrung.fm Folie 2
3 Ein-/Ausgabe ohne und mit Betriebssystem Prozessor Speicher gabe Ein-/Ausgabe Prozessor Speicher Ein-/Aus- physische Kanäle Betriebssystem logische Kanäle Anwenderprogramm Anwenderprogramm kap1_einfuehrung.fm Folie 3
4 1.2 Definitionen Zum Beispiel: DIN die Programme eines digitalen Rechnersystems die zusammen mit den Eigenschaften dieser Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des Rechnersystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. Andere Definition Ein Betriebssystem ist eine Menge von Programmen, die die Ausführung von Benutzer- Programmen auf einem Rechner und den Gebrauch der vorhandenen Betriebsmittel steuern. kap1_einfuehrung.fm Folie 4
5 Betriebssystem als Ressourcenverwalter Ressource = darunterliegende Hardware Rechner = strukturierte Sammlung von Ressourcenklassen Jede Klasse wird durch eigene Systemprogramme kontrolliert Aktive Ressourcen Passive Ressourcen Zentrale Ressourcen Prozessor(en) Hauptspeicher Periphere Ressourcen Kommunikationseinheiten 1. Endgeräte (Tastaturen, Drukker, Anzeigen, Zeigegeräte, etc.) 2. Netzwerk (entfernt, lokal) etc. Speichereinheiten 1. Platten 2. Bänder 3. CD-ROM/DVD etc. kap1_einfuehrung.fm Folie 5
6 Begriffsvarianten Bezeichnung System-Software oder Systemprogramme anstelle Betriebssystem Schema zur Einteilung von Software (Quelle: Bauknecht/Zehnder Grundzüge der Datenverarbeitung ) Software Systemprogramme (Betriebssystem) Anwendungsprogramme Steuerprogramme Supervisor, Monitor Eingabe/Ausgabe Systemlog Fehlerroutinen Übersetzer Testhilfen Dienstprogramme Hilfsprogramme z.b. Sortierprogramm Bilbliotheksverwaltung Editierprogramme Selbsterstellte Programme Bibliotheksprogramme Software Pakete kap1_einfuehrung.fm Folie 6
7 1.3 Einordnung im Computersystem Textverarbeitung Kommandointerpreter Betriebssystem Client Compiler Web Browser Editor Applikationen Systemprogramme Instruktionssatz-Architektur (ISA) Physische Geräte, Systemplatine Hardware kap1_einfuehrung.fm Folie 7
8 Bezug zu Computertechnik Betriebssystem verwaltet: Prozessor Arbeitspeicher Massenspeicher Benutzerschnittstelle Kommunikations- und andere Peripheriegeräte -> Betriebssystemtheorie beruht damit auf Computertechnik Computertechnik befasst sich mit: (1) Rechner-Grundmodelle (Von Neumann, Harvard Architektur) (2) Funktionsweise des Prozessors (Instruktionssatz, Registeraufbau, Adressraum, Unterprogrammtechniken) (3) Speicher und ihre Realisierungen (Primär- und Sekundärspeicher) (4) Peripheriegeräten (Tastatur, Bildschirm, Schnittstellenbausteine, usw.) Kurzer Review von (1) und (2) als Einführung in die Thematik (siehe Folgekapitel 2.1) kap1_einfuehrung.fm Folie 8
9 1.4 Betriebssystemarten Grundsätzlich gilt: Betriebssystem = Umgebung zur Ausführung von Programmen (NB: Umkehrschluss gilt nicht immer!) Beispiele für Umgebungen zur Ausführung von Programmen: Laufzeitsystem einer Programmiersprache Beispiele: ADA, Modula-2 Virtuelle Maschine zur Zwischenkode-Ausführung Beispiel: Java Virtual Machine, PASCAL P-Kode-Interpreter Basisprogramm eines Rechners ( Mutter bzw. Vater aller Programme ) Beispiele: UNIX, MS-Windows Programmbibliothek Beispiele: Mikrokontroller-Betriebssysteme, VxWorks etc. kap1_einfuehrung.fm Folie 9
10 1.4.1 Klassische Einteilungen Einteilung nach Anwendungsgebieten: Stapelverarbeitung Time-Sharing-Betrieb Echtzeitbetrieb Einteilung nach unterstützter Rechnerstruktur: Einprozessorsysteme Multiprozessorsysteme Verteilte Systeme NB: ein bestimmtes BS kann eine oder mehrere Rechnerstrukturen unterstützen kap1_einfuehrung.fm Folie 10
11 1.5 Betriebssystemarchitekturen Architekturformen Black Box und White-Box -Betrachtung (Beispiel: Unix) Benutzerapplikation, die API anspricht Benutzerapplikation, die API anspricht POSIX.1 System Call Interface POSIX.1 System Call Interface Black Box White Box Betriebssystem-Kern (operating system kernel) kap1_einfuehrung.fm Folie 11
12 1.5.2 Benutzer- / Kernmodus Leistungsklassen von Prozessoren Mikrokontroller Spezialisierte Prozessoren Einfache Universal-Mikroprozessoren Leistungsfähige Universal-Mikroprozessoren: --> realisieren Privilegiensystem Privilegiensystem System-Modus: alle Rechte -> für Betriebssystemcode Anwender-Modus: eingeschränkte Rechte -> für Applikationscode kap1_einfuehrung.fm Folie 12
13 Beispiel: Privilegiensystem der Motorola M68k Prozessorfamilie Supervisor State (S = 1) Alles erlaubt und möglich S-Flag auf 0 setzen (benutzt durch Systemkode) illegale Instruktion oder interne Fehlsituation oder externe Fehlsituation oder Hardware-Interrupt oder Software-Interrupt (system trap) User State (S = 0) Gewisse Instruktionen verboten kap1_einfuehrung.fm Folie 13
14 Beispiel: Privilegiensystem der intel ia32 Prozessorfamilie Kern Gates PL*=0 PL*=1 PL*=2 PL*=3 Systemdienste Systemerweiterungen Benutzerapplikationen möglicher Einsatz in einem Betriebssystem PL* = Privilegienstufe (Privilege Level) kap1_einfuehrung.fm Folie 14
15 Vergleich User- / Kernel Mode Benutzermodus Kernmodus Ausführbare Maschinenbefehle Begrenzte Auswahl Alle Hardware-Zugriff Nein bzw. nur mit Hilfe des Betriebssystems Ja, Vollzugriff Adressraum Einer pro Prozess Separat, exklusiv kap1_einfuehrung.fm Folie 15
16 1.5.3 Monolithische Systeme Applikation 1 Applikation 2 Applikation 3 Dienstverteiler Hardware kap1_einfuehrung.fm Folie 16
17 1.5.4 Geschichtete Systeme Applikation 1 Applikation 2 Schicht 3 Schicht 2 Schicht 1 Hardware kap1_einfuehrung.fm Folie 17
18 1.5.5 Mikrokern-Systeme Benutzerprozess (Client) Datei-Server Display-Server Netzwek-Sever Antwort Benutzermodus Kernmodus Mikrokern (microkernel) Anfrage Hardware kap1_einfuehrung.fm Folie 18
19 1.5.6 Beispiele von Systemarchitekturen Interne Struktur des Unix (Kern des System V Release 3) Interne Struktur von Windows NT/2000/XP NB: für die innere Struktur des Linux-Kerns existiert leider keine vergleichbare Abbildung kap1_einfuehrung.fm Folie 19
20 Unix System V Benutzerprogramme User Level Kernel Level Programmbibliothek Systemaufruf-Schnittstelle (system call interface) Datei-Subsystem (file subsystem) Zeichen (character) Pufferung (buffer cache) Block (block) Gerätetreiber (device driver) Prozesssteuerungs- Subsystem (process control subsystem) Prozessorzuteilung (scheduling) Inter-Prozess- Kommunikation (IPC) Speicherverwaltung (memory management) Kernel Level Hardware Level Hardware-Steuerung Hardware kap1_einfuehrung.fm Folie 20
21 Windows 2000/XP Systemdienst- Prozesse Service processes) Systemhilfs- Prozesse (system support processes) Benutzer- Applikationen Umgebungs- Subsysteme (Environment subsystems) System- Threads Subsystem-Programmbibliotheken (Environment DLL s) User Mode Kernel Mode Systemdienst-Verteiler (System service dispatcher) Geräte- und Dateisystemtreiber (Device and File System Driver) Exekutive (Executive) Kern (Kernel) Text- und Grafik Ein-/ Ausgabe (GDI- und USER Komponente) Grafiktreiber (Graphics Driver) Hardware-Abstraktionsschicht (Hardware Abstraction Layer, HAL) Hardware kap1_einfuehrung.fm Folie 21
22 1.5.7 Abstraktionen aus Benutzer- und Entwicklersicht Abstraktion aus Benutzersicht: --> intuitive Bedienung ermöglichen Abstraktion aus System- und Entwicklersicht: --> Einfachheit der Programmierung --> Flexibilität durch Unabhängikeit von Rechnerplattform & Peripherie kap1_einfuehrung.fm Folie 22
23 Abstraktion aus Benutzersicht Gegensätze Einfache und intuitive Visualisierung von: - gespeicherter Information - Vorgängen der Datenverarbeitung Effiziente Datenablage und Verarbeitung Historisch bedingt: - Ressourcen- und Leistungsbegrenzungen - Rechnerbenutzer meist Fachleute - keine Einigkeit bezüglich Darstellung von Rechnerobjekten Lösung mittels Metaphern: Computerbegriff Alltagsbegriff Weitere Alltagsbegriffe file Akte Datei, elektronisches Dokument folder Hängemappe Ordner, Verzeichnis kap1_einfuehrung.fm Folie 23
24 Abstraktion aus System- und Entwicklersicht Universelle Verwendbarkeit durch Ressourcenabstraktion Abstraktion von Instruktionssatzarchitektur (Ebene des Prozessortyps) Abstraktion von zentraler Rechnerhardware (Ebene der Systemplatine) Abstraktion der Ein- / Ausgabeschnittstellen Abstraktion von konkreter Peripherie Prozessabstraktion Jeder ausgeführte Prozess hat scheinbar Rechner für sich alleine Eingesetzte Mittel: - Zeitmultiplex der CPU - Raummultiplex des Arbeitsspeichers Beispiel UNIX Zentrale Entwurfsphilosophien: Dateiabstraktion und Prozessabstraktion kap1_einfuehrung.fm Folie 24
1.1 Zweck. Geräteunabhängige Ein-/Ausgabefunktionen: Programme können ohne Änderung unterschiedliche Modelle eines Peripheriegeräts ansprechen.
1 Als Einstieg in das Thema wollen wir feststellen, wo in einem Rechner das Betriebssystem einzuordnen ist, welchen Zwecken es dient und wie ein Betriebssystem als Begriff definiert werden kann. 1.1 Zweck
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