Einführung. 1.1 Aufgaben und Grobstruktur. Betriebssystem (Definition nach DIN 44300) 1.1 Aufgaben und Grobstruktur

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1 1.1 Aufgaben und Grobstruktur Betriebssystem (Definition nach DIN 44300) Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Gdlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Ausfühg von Programmen steuern und überwachen Aufgaben und Grobstruktur Aufgaben Anpassung der Maschinenwelt an die Benutzerbedürfnisse Schaffung der Gdlagen für ein geregeltes Nebeneinander Verwaltung von Daten und Programmen effiziente Ausnutzung der Betriebsmittel Unterstützung bei Fehlern und Ausfällen 2

2 Betriebssystemarchitektur Zitat: The job of a system architect is similar to the one of a witty octopus juggling daily new balls of different size on the back of a jumping dolphin at the shore of Waikiki. Neue Anwendungen Betriebssystem Neue Hardware Qualitätsmerkmale: Sicherheit Echtzeit Mobilität Energieverbrauch Verlässlichkeit... 3 Betriebssysteme für Universalrechner Betriebssystem: Bedienung und Kontrolle Anwendung Anwendung Anwendung Betriebssystem: Verwaltung und Betrieb Hardware 4 Position des Betriebssystems Programmierer Anwendungen Endbenutzer Betriebssystemdesigner Utilities Betriebssystem Hardware 5

3 Betriebssystem Interface zwischen Benutzer und Hardware stellt Programmierinterfaces zur Verfügung virtuelle Maschine Ressourcenmanager passt sich den Anfordegen des Benutzers an 6 Services Programmerstellung Programmausfühg I/O und Filezugriff Zugangskontrolle Fehlererkennung und Behandlung Accounting 7 BS-Konzepte Prozesse Speicherverwaltung Zugriffsschutz Scheduling und Ressourcenverwaltung Systemarchitektur 8

4 1.2 Entstehung moderner Betriebssysteme getrieben von der Entwicklung der Technik und der Kosten: Beschaffungskosten der Hardware Betriebskosten für den Rechner Kosten der menschlichen Arbeit Ziele: möglichst gute Hardwareauslastung hoher Durchsatz geringe Wartezeiten Komfort und Unterstützung für Benutzer 9 50er Jahre (Erste 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 10 60er Jahre (Virtualisieg) Missverhältnis von CPU- und E/A-Leistung Erste Konzepte von Parallelität: E/A-Prozessoren Multiprogramming 11

5 E/A-Prozessoren Problem: langsame E/A-Geräte lähmen CPU Lösung: E/A-Geräte erhalten Aufträge von CPU, besitzen eigene Prozessoren (Controller), die sich um den Datentransfer kümmern, melden CPU Vollzug des Auftrags 12 Multiprogramming Problem: kaum ein Programm nützt CPU und Hardware gleichmäßig aus CPU-intensive Programme (CPU bound) I/O-intensive Programme (I/O bound) Lösung: Multiprogramming bzw. Multitasking 13 Multiprogrammed Batch Systems wait wait A wait A wait B wait B wait A B A B 14

6 Multiprogrammed Batch Systems Die parallele Ausfühg von Programmen macht neue Mechanismen notwendig, z.b. Speicherverwaltung Verwaltung der CPU und Ressourcen (Scheduling) 15 60er Jahre (Virtualisieg) Missverhältnis von CPU- und E/A-Leistung Erste Parallelitäten : Multiprogramming, E/A-Prozessoren von Prozessen als virtuelle Prozessoren Prozesse als internes Strukturiegsmittel für BS 16 Prozess Informell: Programm bei der Ausfühg Animated Spirit of a Program Komponenten eines Prozesses ausführbares Programm zugehörige Daten (Variable, Puffer, etc.) Kontext beinhaltet den Zustand des Prozesses hält Daten zur Realisieg von BS-Features Information für CPU: Befehlszähler, Register, Information für BS: Priorität, Wartebedingungen,... 17

7 60er Jahre (Virtualisieg) Missverhältnis von CPU- und E/A-Leistung Erste Parallelitäten : Multiprogramming, E/A-Prozessoren von Prozessen als virtuelle Prozessoren virtueller Speicher Prozesse als internes Strukturiegsmittel für BS Interaktiver Mehrbenutzer-Betrieb (Timesharing) Vorläufer von heutigen Großrechner-BS entstehen (OS/360, BS2000,...) 18 Time-Sharing Systems mehrere Benutzer teilen einen Computer warten auf Fertigstellung von Batch Jobs Mechanismen: preemptives Scheduling von Prioritäten von Filesystemen 19 70er Jahre (Software Engineering) Prozess wird zur Schutzumgebung (Kontext, domain) mit eigenem, abgeschottetem Adressraum und Rechten (capabilities) Fordeg nach Unterstützung von modularer Programmieg, abstrakten Datentypen und Objektorientieg Anwendung dieser Prinzipien auf das Betriebssystem selbst 20

8 70er Jahre (Software Engineering) Beginnende Software-Krise: BS werden groß, komplex und fehlerbehaftet Unix entsteht nach dem Prinzip simple is beautiful auf einfacher Hardware (PDP-11) Die Fordeg nach strukturiertem Systementwurf, nach Wartbarkeit, Zuverlässigkeit, Schutz und Sicherheit kommt auf Einsatz höherer Programmiersprachen für BS-Implementieg 21 80er Jahre (Verteilte Systeme) Aufkommen von Arbeitsplatzrechnern und PCs Leistungsfähiges Kommunikationsmedium: Ethernet, Vernetzte Systeme Zur effizienten Implementieg von Kommunikationssoftware für verteilte Systeme braucht man Prozesse Prozesse sind mittlerweile komplexe Gebilde: Ein Umschalten kostet mehrere Tausend Maschinenbefehle. Man trennt Adressraum und Prozess wieder und erlaubt mehrere Prozesse im selben Adressraum (lightweight process, thread) 22 80er Jahre (Verteilte Systeme) Parallelitätskonzepte in Programmiersprachen aufgenommen. Verteiltes (paralleles) Rechnen auf Netzen von Arbeitsplatzrechnern Unix hat im Arbeitsplatzrechner ein ideales Vehikel zur Verbreitung und wird zum Quasi-Standard Notwendigkeit der Integration schafft Standardisiegsdruck (OSI, TCP/IP, NFS, POSIX, OSF, X/OPEN, OMG, ODP) BS überwinden Rechnergrenzen: Von der Rechnerkommunikation zum Verbundsystem (Verteiltes System) 23

9 90er Jahre (Hochparallele Systeme, Multimedia, Eingebettete Systeme, Interoperabilität) Mikroprozessoren werden billig durch hohe Stückzahlen Zusammenschaltung tausender Mikroprozessoren bringt (rechnerisch) höhere Leistung bei geringerem Preis als Supercomputer (z.b. Cray) Neue BS-Funktionen zur Unterstützung der Parallelverarbeitung Multimedia-Anwendungen erfordern Unterstützung von Audio- und Videodaten (Realzeit-Fähigkeiten) 24 90er Jahre (Hochparallele Systeme, Multimedia, Eingebettete Systeme, Interoperabilität) Software in eingebetteten Systemen benötigt BS-Unterstützung (z.b. Consumer Electronics) Verteilte Systeme auch in heterogenen Umgebungen (DCE, Corba) Emulation anderer BS-Schnittstellen (d.h. mehrere BS-Welten auf demselben Rechner) Mobile Endgeräte erfordern geringen Energieverbrauch 25 Weitere Entwicklung billige Hardware pro Benutzer ein Rechner Computer vermehrt für Verwaltung und Austausch von Daten ( Networking, Security) Wachstum des Internet Java API (Middleware) relevanter als System Calls Network Computer ohne lokales Filesystem Mobilität, Real-Time Voice und Video,... Embedded Comp., Ubiquitous Computing, 26

10 Weiterführende Literatur Hansen,P.B.: Classic Operating Systems Springer, New York, 2001 The Virtual Museum of Computing 27 Systemarchitektur Komplexe Systeme (in allen Bereichen) setzen sich aus einzelnen Komponenten unterschiedlichen Typs zusammen. Für den erfolgreichen Entwurf eines komplexen Systems ist daher die Kenntnis der diversen Varianten der Komponenten und ihrer Wechselwirkungen von Bedeutung. Beispiel Hausbau ( Jahre Erfahg)! "$# % %& # ' %( #)* & ) & 28 Systemarchitektur Beispiel Elektrotechnik (ca. 100 Jahre Erfahg) Widerstand Spule Kondensator Dioden Röhren Transistoren Beispiel Betriebssysteme (ca. 40 Jahre Erfahg) Prozesse Signale Adressräume Kanäle Unterbrechungen Treiber Dateien +# #, & -. '/ & # 0& ' 132 ) # 2 # 29

11 Serial Processing kein Betriebssystem direkte Programmieg der Hardware I/O: Schalter, Kartenleser, Lampen, Drucker 30 Serial Processing Problem: Fehleranfälligkeit der I/O Lösung: Unterprogrammbibliotheken für I/O Problem: Setup benötigt viel Zeit Lösung 1: Spezialist für Setup Lösung 2: Monitor 31 Monitor Interrupt Processing Device Drivers Job Sequencing JCL Interpreter User Program Area Job Steuerkommandos (JCL) + Programm 32

12 Job-Ausfühg mit Monitor Job vom Eingabegerät in die User Programm Area lesen Interpretieg der JCL Kommandos Ausfühg des Anwendungsprogramms Fortsetzung im Monitor 33 Monitor Speicherschutz Timer Privilegierte Instruktionen Interrupts Problem: entweder CPU oder I/O-System aktiv, der Rest der Maschine ist untätig Lösung: parallele CPU und I/O Aktivität Puffeg und I/O Interrupts 34