Betriebssysteme I WS 2016/17. Prof. Dr. Dirk Müller. 1 Einführung: Begriff, Geschichte und Klassifikation

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1 Betriebssysteme I 1 Einführung: Begriff, Geschichte und Klassifikation Prof. Dr. Dirk Müller

2 Begriff Was ist ein Betriebssystem? Welche Aufgaben hat es? Überblick Geschichte Seit wann gibt es Betriebssysteme? Welche Betriebssysteme waren wichtig (z. B. ihrer Zeit voraus) und welche weit verbreitet? Wie könnte die Zukunft aussehen? Klassifikation Betriebssysteme für verschiedene (Hardware-)Systeme und Anforderungen Strukturierung von Betriebssystemen Architekturansätze 2/28

3 Motivation erste Vermutung: Für jeden Computer vom Handy bis zum Superrechner gibt es ein passendes Betriebssystem. aber: mehrere Betriebssysteme auf ihrem PC möglich klassisch: per Bootmenü (typisch sind Linux und Windows) modern: per Virtualisierung (z. B. Wine und VirtualBox) trotz identischer Hardware große Unterschiede => starker Einfluss aber: Linux läuft auf fast allen Plattformen z. B. Mobiltelefon, PC, Server, Supercomputer trotz stark unterschiedlicher Hardware viele Gemeinsamkeiten Betriebssysteme spielen eine entscheidende Rolle bei der Nutzbarmachung der Hardware für Anwendungsprogramme und schließlich für den Nutzer lohnend, das Fach näher zu studieren, um fundiert Betriebssysteme nutzen und beurteilen zu können Grundlagenfach der Informatik Quelle: [Ach2006] 3/28

4 Betriebssystem (Abk. BS) engl. Operating System (OS) Begriff Ein Betriebssystem umfasst die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. DIN Software, die im Kernel-Modus läuft [Tan2016], S. 31 Systemsoftware vs. Anwendungssoftware BS gehört zur Systemsoftware 4/28

5 Zweck eines Betriebssystems [..]Operating systems are not strictly necessary. There is no reason why a sufficiently dedicated coder could not start from nothing with every project and write fresh code to handle such basic, low-level operations as controlling the read/write heads on the disk drives and lighting up pixels on the screen. The very first computers had to be programmed in this way. But since nearly every program needs to carry out those same basic operations, this approach would lead to vast duplication of effort.[..] Neal Stephenson [1] 5/28

6 Brückenfunktion saubere Abstraktion der Betriebsmittel (Top-Down-Sicht) Prozessoren, Speicher, Netzwerk, Tastatur, Bildschirm, Maus, etc. Verwaltung der Hardwareressourcen (Bottom-Up-Sicht) immer wichtiger: Sicherheit Netzwerke erleichtern Datenaustausch enorm: viel schneller (winzige Latenz bei genügend großer Bandbreite) => Schutz vor Malware Schutz vor unüberlegten Handlungen des Nutzers (Nachfragen vor endgültigem Löschen, Papierkorb, etc.) Nutzer Quelle: [Tan2016] 6/28

7 Top-Down-Sicht Erweiterte Maschine manchmal auch virtuelle Maschine genannt, aber Virtualisierung ist ein inzwischen anders belegter Begriff Abstraktion der realen Low-Level-Eigenschaften Beispiel Festplatte mit Zylindern, Sektoren und Blöcken fester Größe Festplattentreiber (allgemein Gerätetreiber) Datei-Abstraktion benannte Datei variabler Größe Anwendungsprogrammen werden Standardaufgaben wie die Ein-/Ausgabe über Dateien abgenommen 7/28

8 Bottom-Up-Sicht Ressourcenverwalter Verwaltung der Ressource, geschieht meist im Hintergrund ohne Interaktion mit dem Nutzer Beispiele Wiederherstellen des Dateisystems nach einem Absturz des Rechners zeitliche Ressourcenverwaltung, z. B. Drucker räumliche Ressourcenverwaltung, z. B. Speicher beide Ansätze: Recheneinheiten (CPU-Kerne und GPUs) 8/28

9 Schnittstellen Benutzer-zu-BS grafisch (GUIs): für Anfänger besser, manchmal auch generell textuell (Shell, Kommandozeile): für Fortgeschrittene häufig besser Kombination: Konsolenfenster Anwendungsprogramm-zu-BS auf modernen Prozessoren aus Sicherheitsgründen nur im Kernel-Modus gesamter Befehlssatz nutzbar und voller Speicherbereich ansprechbar Systemrufe ermöglichen Dienste des BS für Anwendungsprogramme durch zeitweisen Wechsel in den Kernel-Modus 9/28

10 Abgrenzung Editoren, Compiler, Assembler, Binder, Kommandointerpreter, Virenscanner, etc. nicht Teil eines Betriebssystems keine Anwendungssoftware oft im Paket mit einem BS erhältlich, aber oberhalb des Kernels Werkzeuge, die die tägliche Arbeit erleichtern bilden 3. Gruppe von Software: Unterstützungssoftware Middleware Schicht oberhalb des BS, erleichtert Zugriff auf Rechnern mit verschiedenen BS in einem heterogenen verteilten System Firmware Schicht unterhalb des BS, zum Hochfahren eines BS (früher BIOS, heute meist UEFI) sehr breite, hier nicht verwendete Definition alles, was die Ausführung von Anwendungen in generischer Form unterstützt 10/28

11 Geschichte: Hardware: Elektronenröhren und Relais keine Betriebssysteme keine Programmiersprachen, auch kein Assembler Programmierung durch Verkabelung oder Lochkarten Zuse Z3 von Konrad Zuse Mai Relais, Binärsystem, 4 kw, 1 t Gleitkommaarithmetik: Add. 0,8 s, Mult. 3 s Programmierbar nur theoretisch turingmächtig, da Sprungbefehl fehlt Z3-Nachbau, Deutsches Museum München, Quelle: Venusianer Colossus (UK 1943), Mark I (USA 1944), ENIAC (USA 1946/48) 11/28

12 Geschichte: Hardware: Transistoren bilden Großrechner (>1 Mio. US-$) erste Betriebssysteme: FORTRAN Monitor System (FMS) und IBSYS von IBM (Ursprung bei General Motors) Programmierung in Assembler oder FORTRAN (seit 1957) ALGOL, LISP und COBOL als weitere frühe Hochsprachen Stapelverarbeitung E/A mittels Lochkarten, Magnetbändern und Druckern Eingabe, Berechnung und Ausgabe als 3 aufeinanderfolgende Phasen => mehrere Stunden für 1 Durchlauf IBM 7094, Quelle: ArnoldReinhold 12/28

13 Geschichte: Hardware: integrierte Schaltkreise bilden Großrechner und Minicomputer für Firmen und Universitäten Computerreihen, z. B. IBM 360; 8 -Diskettenlaufwerke Betriebssysteme: z. B. OS/360, Compatible Time Sharing System (CTSS), MULTiplexed Information and Computing Service (MULTICS), Uniplexed Information and Computing Service (UNIX, Ken Thompson und Dennis Ritchie 1969) neue, revolutionäre Ansätze Multiprogrammierung: gleichzeitiges Halten mehrerer Programme im Speicher (Partitionen, räumlich), werden abwechselnd ausgeführt (Zeitscheiben, zeitlich) Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On-Line) zur schnelleren und flexibleren E/A: Nutzung von Puffern, um Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Speicher und Gerät auszugleichen Timesharing: Variante der Multiprogrammierung mit Online- Zugang zum System für mehrere Nutzer 13/28

14 Geschichte: seit 1980 PC Hardware: hochintegrierte Schaltkreise bilden Mikrocomputer(-Netze), später aka Personalcomputer (PCs) 1979: Intel 8088 als Basis für IBM-PC 5¼ -Disketten, ab 1984 auch 3½ Control Program for Microcomputers (CP/M) von Digital Research führend keine hierarchischen Verzeichnisse, Ansteuerung der Peripheriegeräte nicht einheitlich Microsoft Disk Operating System (MS-DOS) 1981-Anfang 1990er führend nur Kommandozeile, aber Bundling mit PC 1984 Apple Macintosh mit GUI 1985 von MS mit Windows 1.0 bis 3.11 als DOS-Aufsatz imitiert 1992 Linux von Linus Torvalds IBM PC 5150 mit MS-DOS 5.0, Quelle: Boffy, Windows NT (später XP, Vista, 7, 8, 8.1, 10) von MS 14/28

15 Geschichte: seit 1990 mobile Computer Hardware: kleine, tragbare Computer auch zum Telefonieren (Smartphone) Symbian war führend , dann steiler Abstieg durch Ignorieren/Verschlafen des Smartphones 1,5 Mrd. S40-Endgeräte wurden bis 2012 verkauft Blackberry OS von RIM (seit 2001) ios von Apple (seit 2007 für iphone) Android von Google seit 2008 auf Linux-Basis mit Java-Anwendungen, seit 2011 Marktführer Windows Phone (seit 2012 von MS) sehr schnelllebig Welches BS wird hier in 10 Jahren führend sein? 15/28

16 Klassifikation Kriterium: Nutzeranzahl Einbenutzer- vs. Mehrbenutzersystem Kriterium: Anzahl unabhängiger Aktivitäten Single-Tasking vs. (präemptives, also echtes) Multi-Tasking Einbenutzersystem Mehrbenutzersystem Single-Tasking-System Multi-Tasking-System MS-DOS (auch mit Windows 3.11, da dort nur kooperatives Multitasking) Windows 9X Android (vor 5.0) UNIX Linux, Android (ab 5.0) Windows 10 Mac OS X 16/28

17 Klassifikation: Kommunikation mit der Umwelt BS für Stapelverarbeitungssysteme engl. batch processing Programm läuft streng sequentiell in 3 Phasen ab: Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe (EVA-Prinzip zeitlich) Nutzer muss lange auf Ausgabe (auch Fehlermeldung) des Systems warten BS für interaktive Systeme bei GUIs eingesetzt Synchronisation: System wartet auf Nutzer, Nutzer wartet genügend kurz (< 0,5 s) auf System, sind im Dialog geht in Richtung weiche Echtzeitsysteme BS für reaktive Systeme kontinuierliche Interaktion mit der Umgebung Umgebung kann nicht auf das System warten geht in Richtung harte Echtzeitsysteme 17/28

18 Klassifikation nach dem Grad der Verteilung lokales BS Netzwerkbetriebssystem Ziel: Verwaltung von Ressourcen im LAN mit gemeinsamen Zugriff auf Dateien und Drucker Middleware als entscheidender Teil von Novell: NovellNetware meist Client/Server-Architektur z. B.: Windows Server 2016 von MS, UNIX, Linux, Mac OS X Server verteiltes BS holistischer Ansatz mit Transparenz BS selbst ist verteilt, für Nutzer und Anwendungen nicht sichtbar z. B.: 1985 Mach, 1992 Plan 9 from Bell Labs, 1996 Amoeba lok. BS verteilte Anwendung Middleware lok. BS lok. BS PC PC PC PC Verbindungsnetzwerk verteilte Anwendung verteiltes BS PC PC PC PC Verbindungsnetzwerk lok. BS 18/28

19 Klassifikation nach Zweck BS für Großrechner BS für Server BS für Multiprozessorsysteme BS für PCs BS für Handheld-Computer (Tablets, Smartphones) BS für eingebettete Systeme BS für Sensorknoten BS für Smartcards Echtzeit-BS groß mittel klein Linux(-basiert) möglich 19/28

20 Einsatz von Betriebssystemen für eingebettete Systeme Quelle: UBM Electronics 2015 Embedded Markets Study, Download am /28

21 Strukturierung von Betriebssystemen gehören zu komplexesten Software-Systemen überhaupt Windows 10: >50 Mio. SLOC Linux 4.7.3: >20 Mio. SLOC Mac OS X 10.4: 86 Mio. SLOC 4 wesentliche Architekturansätze, um Komplexität zu besser zu beherrschen und gleichzeitig sicher und effizient zu sein monolithisch Schichtenarchitektur Client-Server-Architektur (Mikrokernel) hybride Architektur 21/28

22 Monolithische Architektur gesamtes BS als ein Programm im Kernel-Modus Jede Prozedur darf jede andere des Systems aufrufen. Nachteile kein Information Hiding unübersichtlich, schwer zu warten und zu testen nicht leicht zu portieren historisch gewachsenes System Fehler in einer einzigen Prozedur kann ganzes System zum Absturz bringen. Vorteil effizient moderne Variante Module, die zur Laufzeit geladen werden können z. B. Linux 22/28

23 Schichtenarchitektur Subsysteme werden horizontalen Schichten zugeordnet Jede Schicht stellt nur den höheren Schichten Dienste bereit. innerhalb einer Schicht beliebige Zugriffe (keine Regeln) innere Struktur einer Schicht nach außen unsichtbar strikt: Schichten dürfen nicht übersprungen werden Ziele engere Bindung und losere Kopplung, stabile Schnittstellen => bessere Änderbarkeit und physikalische Verteilbarkeit Portabilität verbessert (meist nur unterste Schicht nötig zu ändern) Sicherheit wird gut unterstützt (Überwachungsschichten) Beispiel ISO-OSI-Modell für Kommunikationsprotokolle; fehlt leider bei BS, aber Vorschlag Anwendung Dateisystem Gerätetreiber BS-Kernel Gefahr: Ineffizienz Hardware 23/28

24 Nicht-strikte Schichtenarchitektur in MS-DOS Anwendung COMMAND.COM Anwendung BIOS DOS E/A Betriebssystem CPU Hardware durch Aufweichung des Konzepts effizienter aber auch viel weniger Sicherheit MS-DOS hatte mit der 640-KB-Grenze und Kompatibilität zu 8-Bit-Prozessoren (8088 aka XT) zu kämpfen Mehr als 640 Kilobyte Speicher werden Sie niemals benötigen. (Bill Gates, 1981) 24/28

25 Client-Server-Architektur Modularisierung wird konsequent fortgesetzt zwei Arten von Prozessen: Clients und Server z. B. Speicherverwaltung im BS, NTP-Server, Druckserver Mikrokernel konsequent nur essentielle Problem mit Def. von Tanenbaum Komponenten im Kernel-Modus, alles andere im Benutzermodus Vorteil: sicherer Nachteil: langsamer < SLOC Quelle: , Download am /28

26 viele Systeme suchen einen goldenen Mittelweg aus monolithischer und Mikrokernel- Architektur Ziel: Schnelligkeit und Sicherheit kombinieren z. B.: Mac OS X und Windows NT (2000, XP, Vista, 7, 8, 10) Hybride Architektur Quelle: Download am /28

27 Zusammenfassung BS als erweiterte Maschine und als Ressourcenverwalter Brücke zwischen Hardware und Anwendungsprogrammen Sicherheit immer wichtiger Software, die im Kernel-Modus läuft Schnittstellen: GUI, Shell und Systemrufe BS seit ca. 60 Jahren Klassifikationskriterien Anzahl der Benutzer und der unabhängigen Aktivitäten Kommunikation mit der Umwelt Grad der Verteilung Zweck Strukturierung: monolithischer Kernel und Mikrokernel aus Extreme; hybride Architektur als Mittelweg 27/28

28 Literatur [1] Neal Stephenson: In the Beginning...was the Command Line, HarperCollins US /28