Betriebssysteme I WS 2016/17. Prof. Dr. Dirk Müller. 8 Betriebssystem-Grundlagen

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1 Betriebssysteme I 8 Betriebssystem-Grundlagen WS 2016/17 Prof. Dr. Dirk Müller

2 WS 2016/17 2/24 Protokoll und Schnittstelle Ressourcen entziehbare exklusiv nutzbare Ressourcentransformation Überblick Kernel-Modus vs. Benutzermodus Systemruf Zusammenfassung

3 WS 2016/17 3/24 Schnittstelle statische Sicht auf eine Kommunikation Realisierung in Hard- oder Software Hardwareschnittstellen Peripheral Component Interconnect (PCI) Controller Area Network (CAN) InfiniBand Softwareschnittstellen Gesamtheit aller nutzbaren Funktionen einer Bibliothek, eines Betriebssystems oder einer Middleware, aka Application Programmer's Interface (API) Charakterisierung als Operationen einer Klasse in einem UML- Klassendiagramm Beispiele: POSIX, Win32, Qt-API

4 WS 2016/17 4/24 Protokoll dynamische Sicht auf eine Kommunikation Unterscheidung in synchrone und asynchrone Kommunikation in der UML verschiedene Diagrammarten relevant Zustandsdiagramm Sequenzdiagramm Kommunikationsdiagramm Zeitdiagramm Zusammenhang Protokolle setzen auf Schnittstellen auf Interaktionsdiagramme Arten proprietäre und offene Schnittstellen und Protokolle

5 WS 2016/17 5/24 Beispiel: Protokoll eines Zugangskontrollsystems, grob UML-Sequenzdiagramm Quelle: [2], S. 568

6 Beispiel: Protokoll eines Zugangskontrollsystems, verfeinert UML-Zeitdiagramm Quelle: [2], S. 604 Dirk Müller: Betriebssysteme I WS 2016/17 6/24

7 WS 2016/17 7/24 Beispiel: Protokolls eines Telefons UML-Zustandsdiagramm Quelle: [2], S. 334

8 WS 2016/17 8/24 Beispiel eines Protokolls: Dateioperationen (Präzedenzen als Ausschnitt) -Lesen und Schreiben geschlossener Dateien unmöglich -Lesen und Schreiben können sich bei geöffneten Dateien beliebig abwechseln -Schließen als sauberer Abschluss

9 WS 2016/17 9/24 Schnittstelle und Protokoll einer Bibliothek Startzustand Klasse mit Operationen Zustandsübergang (Transition) Schnittstelle als UML-Klassendiagramm Endzustand Zustand Protokoll als UML-Zustandsdiagramm Ereignis Aktion Quelle: [1], S. 290

10 WS 2016/17 10/24 Aktivitäten und Ressourcen zwei grundlegende Kategorien in jedem Rechensystem Aktivitäten: das, was abgearbeitet wird Verhalten, dynamische Sicht Task Prozess Thread Routine Ressourcen: das, was Aktivitäten zum Leben benötigen aka Betriebsmittel, statische Sicht

11 WS 2016/17 11/24 Ressourcen alles das, was keine Aktivität ist Aktivitäten konkurrieren um Ressourcen existieren in allen Schichten eines Systems Beispiele: Datei, Festplatte, Programmcode, Hauptspeicherblock = Hardware und alle passiven Abstraktionen eines Rechensystems (d. h. auch CPU und Geräte) besitzen zu jedem Zeitpunkt einen inneren Zustand (z. B. CPU: Gesamtheit der Inhalte aller Register) Ressourcen werden durch Aktivitäten angefordert, durch eine zentrale Instanz zugeteilt und nach Nutzung durch die Aktivität zurückgegeben (Protokoll!)

12 WS 2016/17 12/24 Entziehbare Ressourcen Def.: Eine entziehbare Ressource kann nach ihrer Zuteilung der Aktivität jederzeit entzogen werden. Der Vorgang ist für die Aktivität transparent. Ablauf 1. Aktivität anhalten 2. Zustand der Ressource sichern (z. B. auf Datenträger schreiben) 3. [Ressource anderweitig verwenden] 4. Zustand der Ressource restaurieren 5. Aktivität fortsetzen Voraussetzungen für Entziehbarkeit Zustand der Ressource vollständig auslesbar Zustand der Ressource beliebig manipulierbar

13 WS 2016/17 13/24 Beispiele für entziehbare Ressourcen CPU (Zustand kann in den Hauptspeicher gesichert werden) Hauptspeicherblock (Zustand kann auf einem Massenspeicher wie HD oder SSD ausgelagert werden) Vorsicht, kontextabhängig, bei einem Smartphone ohne Swapping/Paging ist der Speicher nicht entziehbar! Datei Beispiele für nicht-entziehbare Ressourcen CPU-Cache Drucker Netzwerkkarte

14 WS 2016/17 14/24 Exklusiv nutzbare Ressourcen Def.: Eine exklusiv nutzbare Ressource darf zu jedem Zeitpunkt von maximal einer Aktivität genutzt werden. Beispiele Hardware (beschreibbarer) Speicher zum Schreiben geöffnete Datei BS muss Exklusivität durchsetzen Synchronisationsmechanismen Zuteilung kann mit verschiedenen Zielkriterien erfolgen Fairness Minimierung der Wartezeit Garantie einer maximalen Wartezeit

15 WS 2016/17 15/24 Klassifikation und Beispiele für Ressourcen entziehbar Prozessor, Speicher gleichzeitig nutzbar Programm, Datei mit Lesezugriff, Speicher wiederverwendbar Prozessor, Datei, Speicher physisch Prozessor, Speicher, Geräte nicht entziehbar DVD-Brenner, alle verbrauchbaren Ressourcen exklusiv nutzbar Prozessor, Drucker, Signal, Datei mit Schreibzugriff verbrauchbar Signal, Nachricht, Interrupt, Druckerpapier logisch/virtuell Datei, Signal, Prozessor (!)

16 WS 2016/17 16/24 Ressourcentransformation Anwendung Dateisystem Gerätetreiber Byte einer Datei logischer Block, 4 KB physischer Sektor, 512 B BS-Kernel Hardware Transformation der Ressource physischer Sektor in die Ressource Datei Sogar eine neue Qualität kann entstehen (Emergenz). Speicher + Identifikator + Programmcode = neuer Prozess

17 Kernel-Modus und Benutzermodus Idee: nur in einem privilegierten Modus (Kernel-Modus) alle Operationen auf dem vollen Speicherbereich ausführbar (z. B. Zugriff auf die Hardware, Manipulation von systemrelevanten Datenstrukturen wie der Prozesstabelle) Kernel-Modus dem Betriebssystem vorbehalten Anwendungen werden in einem restriktiven Modus (Benutzermodus) ausgeführt (z. B. erfolgt automatische Prüfung der Gültigkeit jeder Speicherreferenz) bei Verletzung einer Restriktion Abbruch der Anwendung Unterscheidung in Kernel-Modus und Benutzermodus für analog zur Einteilung in Administratoren und gewöhnliche Nutzer Ziel: Etablierung eines grundlegenden Schutzkonzeptes Dirk Müller: Betriebssysteme I WS 2016/17 17/24

18 WS 2016/17 18/24 Kernel-Modus Was darf man nur im Kernel-Modus? neuen Prozess erzeugen Treiber ins System laden oder daraus entfernen generell: Diensterbringung des Betriebssystems nicht jedoch: typische Adminaufgaben Die CPU muss verschiedene Privilegierungsmodi unterscheiden, um einen Kernel-Modus und einen Benutzermodus zu unterstützen. MULTICS-Hardware Intel und seine Nachfolger ( Protected Mode ) IA-64

19 WS 2016/17 19/24 Systemruf Zweck: Anwendungen (im Benutzermodus) müssen manchmal Operationen ausführen, die nur im Kernel- Modus zugelassen sind => zeitweiser Wechsel BS bietet dem Programmierer Funktionen, diese werden über Systemrufe zur Verfügung gestellt. Gesamtheit aller Systemrufe eines BS ist dessen Application Programmer s Interface (API) (Schnittstelle!) Nutzung analog den Funktionen einer Bibliothek mit einem Unterschied: Diensterbringung erfolgt im Kernel-Modus gewöhnlicher Funktionsaufruf als Mechanismus dafür unbrauchbar Systemrufe können blockieren.

20 WS 2016/17 20/24 Prinzip eines Systemrufs Benutzermodus Kernel-Modus Anwendung Systemeintritt Betriebssystem Systemruf Systemdienst Systemaustritt

21 WS 2016/17 21/24 Ablauf eines Systemrufs allgemeiner Ablauf eines Systemrufs am Beispiel von read() Quelle: [Tan2016], S. 86

22 WS 2016/17 22/24 Ablauf von WriteFile() in Windows 2000/XP/Vista Quelle: David Solomon, Inside Windows XP, Microsoft Press, 2000

23 WS 2016/17 23/24 Zusammenfassung Protokolle (dynamische Sicht) setzen auf Schnittstellen (statische Sicht) bei einer Kommunikation auf. Aktivitäten (z. B. Prozess) benötigen Ressourcen (Betriebsmittel, z. B. Speicher und Prozessor) entziehbare Ressourcen exklusiv nutzbare Ressourcen Ressourcentransformation Unterscheidung in Kernel- und Benutzermodus nötig, um grundlegendes Schutzkonzept bei Multi-Tasking- Betriebssystemen (mit Multiprogrammierung) bereitzustellen HW-Unterstützung durch die CPU nötig temporärer, kontrollierter Wechsel in den Kernel-Modus mittels eines Systemrufs

24 WS 2016/17 24/24 Literatur [1] Helmut Balzert: Lehrbuch der Softwaretechnik. Basiskonzepte und Requirements Engineering, 3. Auflage, Springer-Verlag, 2009 [2] OMG Unified Modeling Language TM (OMG UML), Version 2.5, formal/ , Download am ,