1.3 Architektur von Betriebssystemen

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Bastian Kaiser
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1 1.3 Architektur von Betriebssystemen Zentrale Aspekte: Schichtenstruktur Monolithischer Kern oder Mikrokern aufrufbasiert oder auftragsbasiert Objektorientierung bs-1.2 1

2 1.3.1 Schichtenstruktur Eine Schicht (layer) des Betriebssystems ist zuständig für Verwaltung eines Betriebsmitteltyps, benutzt andere Schichten (durch Aufrufe), wobei benutzt eine lineare Ordnung ist; man sagt auch: die Schichten bilden eine funktionale Hierarchie... Schicht 3 Schicht 2 Schicht 1 Hardware Schicht n benutzt die Schichten n-1, n-2,... bs-1.2 2

3 Andere äquivalente Betrachtungsweise: an der Schnittstelle von Schicht 1 sieht man eine abstrakte Maschine (abstract machine), die nicht mehr mit der realen Maschine (Hardware) identisch ist, d.h. Teile von deren Funktionalität verbirgt und dafür neue Funktionalität hinzufügt entsprechend für Schicht 2,3,.... Schicht 3 Schicht 2 Schicht 1 Hardware Systemschnittstelle abstrakte Maschine 3 abstrakte Maschine 2 abstrakte Maschine 1 reale Maschine bs-1.2 3

4 Historisches Beispiel: Einführung des Schichtenprinzips durch T.H.E. (Technische Hogeschool Eindhoven, [Dijkstra 1967]) Stapelsystem für die Electrologica X8 5 Benutzerprogramme 4 E/A-Verwaltung (Lochstreifen, Drucker) 3 Konsolverwaltung (Operateur-Konsole) 2 Speicherverwaltung (Arbeitsspeicher, Trommel) 1 Prozessverwaltung 0 Hardware bs-1.2 4

5 Typische funktionale Hierarchie heutiger Betriebssysteme: 6 Befehlsinterpretierer Benutzerprogramme 5 Fenstersystem Middleware 4 E/A-Verwaltung Netzkommunikation 3 Dateiverwaltung 2 Speicherverwaltung 1 Prozessverwaltung 0 Hardware bs-1.2 5

6 Verwandter Begriff: Virtuelle Maschine (virtual machine, VM) = komplett simulierte reale Maschine (i.d.r. mit gleichem Instruktionssatz) Mehrere Exemplare einer VM auf einer realen Maschine Koexistenz mehrerer Betriebssysteme möglich Beispiele: CP simulierte IBM 360/370 (1969) bochs simuliert Intel x86 vmware simuliert Intel x86, IA32 bs-1.2 6

7 1.3.2 Kern oder Mikrokern Monolithischer Kern (kernel): das gesamte Betriebssystem (im engeren Sinn) ist in einem Adressraum untergebracht, der in der Regel im Ganzen speicherresident gehalten wird. Mikrokern (microkernel): das Betriebssystem ist auf verschiedene Adressräume aufgeteilt, daher leicht erweiterbar und partiell auslagerbar. Es gibt keine fest definierte Systemschnittstelle mehr. Ein Mikrokern verwaltet die Prozesse und unterstützt die Interprozesskommunikation. bs-1.2 7

8 1.3.3 Aufruf- oder auftragsbasiert Zur Erinnerung (nichtsequentielle Programmierung): aufrufbasiert: Diensterbringer ist Prozedur/Modul/Objekt und wird vom Klientenprozess mit Aufruf angesprochen auftragsbasiert: Diensterbringer ist Prozess und wird vom Klientenprozess mit Auftragserteilung angesprochen bs-1.2 8

9 Bei Betriebssystemen: Dienst ist ein Systemdienst, entweder an der Systemschnittstelle oder an einer systeminternen Schnittstelle Aufrufbasierte Systeme: Prozess wandert durch verschiedene Adressräume dynamische Prozesserzeugung für asynchrone Dienste Auftragsbasierte Systeme: Adressraumwechsel nur bei Prozessumschaltung Diensterbringung in der Regel asynchron bs-1.2 9

10 1.3.4 Objektorientierung bei Betriebssystemen Implementierung eines Betriebssystems: Assembler war lange gebräuchlich (bis etwa 1970) (Beispiel: IBM OS/360) Systemimplementierungssprache (C, Modula,...) Schicht besteht aus mehreren Modulen, aber ein Modul kann sich auch über mehr als eine Schicht erstrecken (Beispiel: Unix, Windows) objektorientierte Sprache (C++) höhere Schicht kann Klasse aus tieferer Schicht erweitern (Beispiele: Windows, div. Forschungssysteme) bs

11 Objektorientierung an der Systemschnittstelle: Betriebssystem verwaltet Systemtypen = Typen virtueller Betriebsmittel (z.b. Prozess, Semaphor, Datei, Port,...), von denen Objekte erzeugt werden können (die im Adressraum [ räumen] des Betriebssystems liegen) Betriebssystem verwaltet ausschließlich Typen und Objekte, auch für die Benutzerprogramme unterstützt durch entsprechende Adressraum-Strukturierung Beachte: Das Objektmodell eines objektorientierten Betriebssystems ist programmiersprachenunabhängig

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