(a) Wie unterscheiden sich synchrone und asynchrone Unterbrechungen? (b) In welchen drei Schritten wird auf Unterbrechungen reagiert?

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1 SoSe 2014 Konzepte und Methoden der Systemsoftware Universität Paderborn Fachgebiet Rechnernetze Präsenzübung bis Aufgabe 1: Unterbrechungen (a) Wie unterscheiden sich synchrone und asynchrone Unterbrechungen? Synchrone Unterbrechungen sind die unmittelbare Folge eines Befehls. Dies kann explizit, z.b. durch einen trap-befehl oder implizit z.b. durch eine Exception geschehen. Bei asynchrone Unterbrechungen gibt es dagegen keinen kausalen Zusammenhang mit aktuellen Befehl. Eine Unterbrechung kann jederzeit über eine Unterbrechungsleitung an den Prozessor übermittelt werden, z.b. beim Tastendruck oder Mausklick. (b) In welchen drei Schritten wird auf Unterbrechungen reagiert? Verglichen Folie 1.42: 1. Unterbrechungsanalyse: Was hat die Unterbrechung ausgelöst und warum? 2. Muss die Unterbrechung sofort berücksichtigt werden? 3. Unterbrechungsbehandlung: Wie bei einem Unterprogrammsprung wird die Startadresse ermittelt und der aktuelle Zustand gesichert. Nach Ausführung der Unterbrechungsbehandlungsroutine wird das Programm normal weiter ausgeführt. (c) Was passiert, wenn während der Unterbrechungsbehandlung eine weitere Unterbrechung eintrifft? Gehen Sie in dem Zusammenhang kurz auf die zwei möglichen Optionen ein. 1. Option: Sequentielle Unterbrechungen Hier werden die Unterbrechungen in der Reihenfolge behandelt, in der sie auftreten. Das heißt die Unterbrechungsbehandlung wird erst abgeschlossen bevor auf die neue Unterbrechung reagiert wird. 2. Option: Geschachtelte Unterbrechungen Hier werden die Unterbrechungen in verschiedene Prioritätsklassen eingeteilt und Unterbrechungen mit höherer Priorität bevorzugt behandelt. Das heißt, dass die Prioritäten der behandelten Unterbrechung und der neuen zunächst verglichen werden. Hat die neue Unterbrechung eine höhere Priorität, so wird die Unterbrechungsbehandlung der ersten Unterbrechung unterbrochen und die neue Unterbrechung wird behandelt. Musterlösung KMS SoSe 2014 Präsenzübung 2 1/5

2 Aufgabe 2: Prozesse und Threads (a) Welche drei Bestandteile beschreiben einen Prozess? Prozesse sind durch eine Verarbeitungsvorschrift, den Adressraum und den aktuellen Zustand der Ausführung definiert. (b) Nennen Sie die vier möglichen Prozesszustände und erklären Sie die Zustände mit ihren Übergängen. Es gibt die Zustände Bereit, Laufend, Blockiert und Beendet. Jeder Prozess startet im Zustand Bereit und wird in den Zustand Laufend versetzt, sobald er vom Betriebssystem die CPU zugeteilt bekommt. Der Prozess bleibt im Zustand laufend, bis ein anderer Prozess die CPU zugewiesen bekommt (zurück in Zustand Bereit), er blockiert (Zustand Blockiert) oder er fertig ist (Zustand Beendet). Ein Prozess blockiert beispielsweise, wenn er Daten von der Festplatte laden will. In dem Fall setzt der blockierte Job aus, bis die Daten zur Verfügung stehen. Vom Zustand Blockiert aus kann der Prozess wieder in den Zustand Bereit wechseln, sobald er nicht mehr blockiert. Beendet Retire Add Bereit Assign Laufend Resign Ready Block Blockiert (c) Grenzen Sie Threads von Prozessen ab. Ein Thread ist ein Teil eines Prozesses. In der Regel kann es mehrere Threads pro Prozess geben. Jeder Thread hat einen separaten Kontrollfluss, aber alle Threads eines Prozesses operieren im selben Adressraum. (d) Was sind Vorteile von mehreren Threads? Siehe Folie 2.38: Der Wechsel von Threads ist effizienter, das Programmiermodell oft einfacher und natürlicher. Mehrere Threads erlauben die Ausnutzung von Nebenläufigkeit und sind gerade auf Mehrkern-Computern sinnvoll. Dank des gemeinsamen Adressraums ist die gemeinsame Nutzung von Daten zwischen den Threads einfach. Musterlösung KMS SoSe 2014 Präsenzübung 2 2/5

3 Aufgabe 3: Stapel- vs Mehrprozessbetrieb (a) Welche Nachteile hat der einfache Stapelbetrieb/batch mode, bei dem es nur einen Prozess gibt, dem alle Ressourcen zur Verfügung stehen? Die CPU führt Prozessanweisungen durch. Doch während ein Prozess zb. mit einem I/O-Gerät kommuniziert bleibt die CPU ungenutzt und es kommt zu Leerläufen. Beispielsweise kann eine Leseanfrage auf die Festplatte länger dauern. Im Stapelbetrieb können solange keine weiteren Anweisungen ausgeführt werden. Diese Art der Ausführung ist sehr ineffizient. (b) 1. Erklären Sie kurz den Mehrprozessbetrieb. 2. Nennen Sie Vor-, aber auch Nachteile gegenüber dem Stapelbetrieb. 1. Beim Mehrprozessbetrieb werden mehrere Prozesse verzahnt ausgeführt. Die Prozesse werden dabei abwechselnd der CPU zugewiesen, sodass es zu scheinbarer Gleichzeitigkeit kommt. 2. Positiv ist die deutlich bessere Auslastung und Effizienz des Systems, da es zu weniger Leerläufen der CPU kommt. Allerdings müssen die Prozesse koordiniert werden. Die Koordination des Ablaufs und der Zugriffe auf Ressourcen ist nun deutlich komplexer als beim Stapelbetrieb. (c) In dieser Aufgabe geht es um die Gegenüberstellung von Stapelbetrieb und Mehrprozessbetrieb anhand eines Beispiels. Dazu sind zwei Prozesse P1 und P2 gegeben, die von der CPU ausgeführt werden und teilweise auf die Festplatte zugreifen und während der Zeit blockieren. Die Laufzeit der Prozesse wird in Zeitscheiben angegeben. Prozess P1 läuft zuerst auf der CPU. Nach 3 Zeitscheiben Laufzeit blockiert P1 für 2 Zeitscheiben aufgrund von Festplattenzugriffen. Danach ist er nach 2 weiteren Zeitscheiben Laufzeit beendet. Prozess P2 greift zu Beginn für 1 Zeitscheibe auf die Festplatte zu, läuft danach für 2 Zeitscheiben und blockiert dann wieder für 2 Zeitscheiben. Nach einer weiteren Zeitscheibe Laufzeit ist er beendet. Jeder Prozess arbeitet dabei solange auf der CPU bis er blockiert oder terminiert. Benutzen Sie die Schemata unten, um die Abarbeitung der Prozesse zu verdeutlichen. Tragen Sie in der ersten Tabelle den Ablauf für den Stapelbetrieb ein und in der zweiten den Ablauf für den Mehrprozessbetrieb. Geben Sie außerdem zu den beiden Betriebsarten die gesamte Laufzeit (in Zeitscheiben) und Auslastung der CPU (in Prozent) an. Tragen Sie L für laufende Prozesse ein, die von der CPU ausgeführt werden, B für blockierte Prozesse, die auf die Festplatte zugreifen, und W für wartende Prozesse. Für beendete Prozesse tragen Sie gar nichts ein. Stapelbetrieb: P1 P2 Laufzeit: Auslastung: Mehrprozessbetrieb: P1 P2 Musterlösung KMS SoSe 2014 Präsenzübung 2 3/5

4 Laufzeit: Auslastung: Stapelbetrieb: P1 L L L B B L L P2 W W W W W W W B L L B B L Laufzeit: 13 Zeitscheiben Auslastung: 8 / 13 = 61,54 Prozent Mehrprozessbetrieb: P1 L L L B B L L P2 B W W L L B B L Laufzeit: 8 Zeitscheiben Auslastung: 8 / 8 = 10rozent Musterlösung KMS SoSe 2014 Präsenzübung 2 4/5

5 Aufgabe 4: Adressierung (a) Wie unterscheiden sich physische und logische Adressierung? Bei der physischen Adressierung wird die reale Adresse im Speicher direkt angegeben. Dagegen entsprechen logische Adressen i.d.r. nicht den realen Adressen im Speicher, sondern werden von den Prozessen intern benutzt. Dabei beginnen die logischen Adressen für jeden Prozess bei 0 und gehen zur maximalen Adresse. Diese logischen Adressen werden dann auf physikalische Adressen abgebildet. (b) Was sind Vor- und Nachteile von logischer Adressierung? Vorteile: - Prozesse sind voneinander isoliert und können so nicht in Konflikt kommen. - Jeder Prozess kann sich so verhalten, als gehöre ihm der gesamte Speicher. Nachteile: - Zusätzliche Abbildung von logischen Adressen auf physische Adressen nötig. (c) Wann ist es sinnvoll, dass sich zwei Prozesse einen Speicherbereich teilen? Wenn mehrere Prozesse das selbe Programm ausführen. In dem Fall greifen die Prozesse auf den gleichen Code zurück und es ist speichersparend, diesen Code nur einmal in Speicher zu haben und beiden Prozessen zugänglich zu machen. Die Daten der Prozesse bleiben allerdings weiterhin getrennt. (d) Gegeben ist der Adressraum für die Prozesse P 0 bis P 2. Es wird logische Adressierung verwendet. Die logische Adresse i von Prozess P k sei k:i. Prozessnummer Physischer Adressbereich i. Was sind die logischen Adressen zu den physikalischen Adressen 100 und 200? Die physikalische Adresse 100 entspricht der logischen Adresse 1:35. Die physikalische Adresse 200 entspricht der logischen Adresse 2:80. ii. Was sind die physikalischen Adressen zu den logischen Adressen 0:0, 2:22 und 1:55? Die logische Adresse 0:0 entspricht der physikalischen Adresse 500. Die logische Adresse 2:22 entspricht der physikalischen Adresse 142. Die logische Adresse 1:55 liegt nicht im Speicherbereich von Prozess 1, da die Länge des Blocks nur 50 beträgt. Dementsprechend hat der Prozess keinen Zugriff auf die Adresse und es sollte zur Fehlermeldung kommen. iii. Wie ist die allgemeine Abbildung der logischen Adresse l auf die physikalische Adresse p von Prozess P k in Abhängigkeit von Startadresse und Länge des Speicherblocks? p = Start(P k ) + l Dabei gilt vor dem Zugriff zu prüfen, ob l kleinergleich Länge(P k ) ist und damit innerhalb des Adressbereichs des Prozesses bleibt. Musterlösung KMS SoSe 2014 Präsenzübung 2 5/5