Woher? Warum? Zwei Sichten

Transkript

1 Betriebssysteme Sommersemester 2015 Betriebssysteme 1. Kapitel Einführung Prof. Matthias Werner Professur Betriebssysteme Woher? Betriebssysteme (BS; engl: operation systems, OS) entwickelten sich aus einer Ansammlung von Unterprogrammen BS als Programmlader (program loader) Mehr im Abschnitt 2 Historischer Abriß Heute haben Betriebssystem eine Reihe von Aufgabenbereichen: Prozessmanagement Speichermanagement Dateimanagement E/A-Management Schutzfunktionen Kommunikation Kommandoausführung Merke: Nicht alle Betriebssysteme realisieren jede dieser Funktionen. 2 / 18 Warum? Moderne Rechner bestehen aus vielen komplexen Komponenten: Prozessor, Arbeitsspeicher, Platten, Druckern, Tastatur, Maus, Bildschirm, Netzwerkschnittstellen, etc. Um ein Anwendungsprogramm direkt für einen Rechner zu schreiben, muss der Programmierer alle Details der Komponenten und ihrer Zusammenarbeit verstehen nur in Spezialfällen realistisch Deshalb wird Betriebssystem als zusätzliche Software-Schicht eingeführt Zwei Sichten Zwei mögliche Sichten auf das Betriebssystem: 1. Virtuelle Maschine (Top-Down Sicht): Bietet dem Programmierer eine abstrakte, einfache Sicht auf die Hardware an Reale, low-level Eigenschaften werden versteckt Beispiel Festplatte/Dateisystem: Reale Maschine (Hardware): Folge von Datenblöcken fester Größe Virtuelle Maschine (BS): Benannte Dateien variabler Größe 3 / 18 4 / 18

2 Zwei Sichten (Forts.) Zwei mögliche Sichten auf das Betriebssystem: 2. Ressourcenmanager (Bottom-Up Sicht): Verwaltet Prozessoren, Speicher, Platten, Terminals,... Koordiniert den Zugriff von Anwendungen auf Ressourcen Zeitliche Ressourcenverwaltung: Anwendungen greifen nacheinander auf Ressourcen zu (z. B. Drucker) Räumliche Ressourcenverwaltung: Anwendungen greifen auf unterschiedliche Bereiche einer Ressource zu (z. B. Speicher) Was? Was also ist ein Betriebssystem? DN 4430 Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Ausführung von Programmen steuern und überwachen. Stallings [Sta04] An operating system is a program that controls the execution of application programs and acts as an interface between applications and the computer hardware. Wikipedia Ein Betriebssystem ist die Software, die die Verwendung (den Betrieb) eines Computers ermöglicht. 5 / 18 6 / 18 Erkenntnisse Es ist offensichtlich schwer, eine präzise und diskriminierende Definition zu geben Pragmatische Definition Zum Betriebssystem gehört alles, was die Ausführung von Anwendungen in generischer Form unterstützt. Die 50er Jahre des letzten Jahrhunderts (Anfänge) Ein Programm wird von einem Prozessor abgearbeitet Stapel-Verarbeitung (Batch-Betrieb) Die Betriebssystemfunktion beschränkt sich auf Unterstützung bei der Ein-/Ausgabe Umwandlung von Zahl- und Zeichendarstellungen Merke: Bei einem solchen weiten Begriff werden auch z.b.: Middleware Firmware in das Betriebssystem einbezogen. 7 / 18 8 / 18

3 Die Sechziger Die Siebziger Missverha ltnis von CPU- und E/A-Rate wird eklatant BS unterstu tzen die verzahnte Ausfu hrung unabha ngiger Programme á Multiprogramming Beginnende Software-Krise: BS werden groß, komplex und fehlerbehaftet Unix entsteht nach dem Prinzip simple is beautiful auf einfacher Hardware (PDP-11) Aufkommende Forderungen nach strukturiertem Systementwurf, Wartbarkeit, Zuverla ssigkeit, Schutz und Sicherheit Einsatz ho herer Programmiersprachen fu r BS-mplementierung Prozess wird zur Schutzumgebung (Kontext, domain) mit eigenem, abgeschottetem Adressraum und Rechten (capabilities) Forderung nach Unterstu tzung von modularer Programmierung, abstrakten Datentypen und Objektorientierung Anwendung dieser Prinzipien auf das Betriebssystem selbst Echte Parallelita t durch Aufkommen von E/A-Prozessoren Der Begriff des Prozesses als virtueller Prozessor wird geboren Auch der Speicher wird virtualisiert á virtueller Speicher Prozess wird auch internes Strukturierungsmittel fu r BS nteraktiver Betrieb durch mehrere Benutzer á Timesharing Prototypen bzw. Vorla ufer heutiger Großrechner-BS entstehen (OS/360, CTSS/Multics, CP67, VMOS/BS2000) 9 / / 18 Die Achtziger Die Achtziger (Forts.) Aufkommen von Arbeitsplatzrechnern und PCs Leistungsfa higes Kommunikationsmedium: Ethernet, Vernetzte Systeme Prozesse sind mittlerweile komplexe Gebilde: Ein Umschalten kostet mehrere Tausend Maschinenbefehle á Man trennt Adressraum und Prozess wieder und erlaubt mehrere Prozesse im selben Adressraum (lightweight process, thread) Unix hat im Arbeitsplatzrechner ein ideales Vehikel zur Verbreitung und wird zum Quasi-Standard Parallelita tskonzepte werden in Programmiersprachen aufgenommen Verteiltes (paralleles) Rechnen auf Netzen von Arbeitsplatzrechnern Notwendigkeit der ntegration schafft Standardisierungsdruck (OS, TCP/P, NFS, POSX, OSF, X/OPEN, OMG, ODP) BS u berwinden Rechnergrenzen: Von der Rechnerkommunikation zum Verbundsystem (Verteiltes System). GU (XEROS á Apple á Microsoft) 11 / / 18

4 Die Neunziger Die Neunziger (Forts.) nfolge hoher Stückzahlen werden einfache Mikroprozessoren relativ billig Zusammenschaltung tausender Mikroprozessoren bringt (rechnerisch) höhere Leistung bei geringerem Preis als Supercomputer (z.b. Cray) Neue BS-Funktionen zur Unterstützung der Parallelverarbeitung und der Verteilten Verarbeitung Verteiltes Arbeiten wird zum Standardfall WWW Verteilte Systeme auch in heterogenen Umgebungen (DCE, Corba) Multimedia-Anwendungen erfordern Unterstützung von Audio- und Videodaten (Echtzeit-Fähigkeiten) Software in eingebetteten Systemen benötigt BS-Unterstützung (z.b. Consumer Electronics) Emulation anderer BS-Schnittstellen (d.h. mehrere BS-Welten auf demselben Rechner) TravelPilot DS (1989) 13 / / 18 Dieses Jahrhundert bisher mmer stärkere Vernetzung bei gleichzeitiger höhere Mobilität hat eine Reihe von Auswirkungen Größere externe Sicherheitsbedrohungen Sicherheitsaspekte werden verstärkt im Betriebssystem behandelt (Kernelfirewall, DS, Sandbox,...) Virtualisierung VMs (Java,.NET, HTML5-Webbrowser) werden quasi eigene Betriebssysteme Hypervisor-Technologie (aus den 60er/70er Jahren) wird zur Produktivtechnologie Betriebssysteme sollen als Host/Guest arbeiten Dieses Jahrhundert bisher (Forts.) Mobile Geräte Energie-Management als BS-Funktion Dienste verlagern sich ins Netz, was wiederum durch das (Klienten- und Server-) Betriebssystem unterstützt wird (Thin Client, Grid- und Cloudcomputing) 15 / / 18

5 Dieses Jahrhundert bisher (Forts.) Referenzen Neue Hardware......für Ein- und Ausgabe verlangt neue Bedienkonzepte Touch Sprache 3D [Sta04] W. Stallings. Operating Systems: nternals and Design Principles. Prentice Hall, 2004, Chapter 2 [Han00] Per Brinch Hansen, Hrsg. Classic operating systems: from batch processing to distributed systems. Springer, zur Berechnung verlangt neue Ausführungsmodelle GPU Cell-Prozessor Cyber-physical Systems [Bow] Jonathan Bowen. The Virtual Museum of Computing. URL: 17 / / 18