1. Einführung. Aufgaben eines Betriebssystems

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1 1. Einführung Aufgaben eines Betriebssystems Steuerung der Ausführung der Anwendungsprogramme Schnittstelle zwischen Anwendung und Hardware Verdecken der Hardware; Virtuelle Maschine Libraries (z.b. Sprachumgebungen) Ressourcenverwaltung Programmverwaltung Prozeßverwaltung Speicherverwaltung E/A Verwaltung Netzwerkverwaltung Dateiverwaltung Zusätzliche Verwaltung Fehlerbehandlung Datenschutz Benutzerkommunikation Kann mehr oder weniger ausgelagert sein (UNIX) Kann stark integriert sein (Windows) Betriebssysteme Harald Kosch Seite 1

2 Notwendige Hardware-Unterstützung Ein modernes Betriebssystem braucht eine gewisse Grundunterstützung von der Hardware I/O Protection Benutzerprogramme dürfen die I/O Geräte nicht direkt ansprechen, sonst könnten sie Fehler machen oder die Geräte monopolisieren Privilegierte Befehle Memory Protection Benutzerprogramme dürfen auf den Speicherbereich des Betriebssystems oder eines anderen Programms nicht zugreifen Getrennte Adreßräume CPU Protection Benutzerprogramme dürfen die CPU nicht monopolisieren Ein Timer unterbricht den Prozessor regelmäßig, und ermöglicht dem Betriebssystem die CPU von einem Programm wegzunehmen (pre-emption) Betriebssysteme Harald Kosch Seite 2

3 Ohne Betriebssystem Betriebssystemarten Die Anwendungen müssen sich um alles kümmern Erste Ansätze: Library Routinen für I/O oder Mathe, die zu der Anwendung compiliert werden Der Programmierer bedient direkt den Computer Scheduling geschieht manuell: Stundenplan Batch-Systeme Second Generation of Operating Systems ( ) Lochkarten-Leser, Zeilendrucker, Magnetbänder Einfacher, residenter Monitor Interpretiert den Job Control Language Lädt und startet die Programme sequentiell Übernimmt die Steuerung der I/O Geräte Übernimmt die Interruptsbehandlung Der Computer wird durch Fachpersonal bedient Batch + Multiprogrammierung Third Generation of Operating Systems ( ) Mehrere Jobs gleichzeitig Job-Scheduling: optimale Ausnützung des Rechners Unabhängige Adreßräume, Schutzmechanismen Spooling - Einbinden der Platte (z.b. IBM 360/DOS, 370/OS) Betriebssysteme Harald Kosch Seite 3

4 Timesharing Die Zurückeroberung des Rechners durch die Programmierer Mehrere Jobs + mehrere interaktive Endgeräte (z.b. CTSS (Compatible Time Sharing System), Multics, IBM-VM-CMS, Unix, Windows-NT Server) Scheduling: Gute Antwortzeit + guter Durchsatz Arbeitsplatzrechner-Betriebssysteme Fourth Generation of Operating Systems (1980-Present) Der persönliche Computer nach dem Muster des Privatautos Die Geschichte wiederholt sich : Zuerst fast kein Betriebssystem Einfache batch-systeme (z.b. CP/M (Control Program for Microcomputers), MS-DOS (?? :-)) Multitaskfähige Betriebssysteme (z.b. Windows 95/98, Windows/NT (?? :-) Client, Unix) Moderne Betriebssysteme Multithreading auf einem oder mehreren Prozessor Symmetrisches Multiprocessing (SMP) und Verteiltheit Objektorientierung Unterstützung von Client/Server Anwendungen Mikrokernel Architektur Spezielle Betriebssysteme Echtzeit-Betriebssysteme Chipkarten-Betriebssysteme Betriebssysteme Harald Kosch Seite 4

5 Künftige Betriebssysteme, Visionen Verteilte Betriebssysteme Single system image Einheitliche Verwaltung Föderative Ausnützung von verteilten Ressourcen Experimentelle trotzdem schon veraltete Systeme: Mach, Chorus, Amoeba Betriebssysteme für Multimedia Best-effort scheduling wird ersetzt Garantierte Dienstgüte (Quality of Service) Experimentelle Systeme: auf Universitäten (Cambridge, Lancester etc), BeOS The Computational Grid Weltweite Infrastruktur wie das power grid Distributed Supercomputing unlösbare Probleme High-Throughput Computing Einbindung von idle CPUs On-Demand Computing Günstig und schnell Data-Intensive Computing Collaborative Computing Interaktiv Betriebssysteme Harald Kosch Seite 5

6 Architektur von Betriebssystemen Monolithische Architektur IBM/370 OS Dinosaurier: ca Fehler in jedem Release Linux: kleinster Source Code unter populären Systemen (großer Pool von Prozeduren, die sich gegenseitig aufrufen) Geschichtete Architektur Idee von Dijkstra Jede Schicht bildet eine virtuelle Maschine für die nächsthöhere Schicht Beispiel: THE system und MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service) Mikrokernel basierte, Client/Server Architektur Interprozeß-Kommunikation Basis-Speicherverwaltung Basis-Scheduler Untere Schicht von E/A Nicht enthalten sind: Filesystem Directory System Jobverwaltung... Betriebssysteme Harald Kosch Seite 6

7 Vorsicht: Windows 2000 kann man nicht als Microkernel basiertes System bezeichnen, da seit seiner Entwicklung von Windows NT 3.0 immer mehr Funktionalität in den Kernel überging. Monet: Ein Microkernel DB-system. Microkernel contains a persistent storage library. Microkernel manages the tables, atomic types, and basic operations, as well as concurrency an transaction management. Monet Server proposes utilities for database creation and destruction, database ASCII load, crash recovery. Standard Extension Modules allow dfferent users to plug in extension modules (like math, temporal, concurrency control, performance profiling). Benutzer Benutzer Datei Server monolithischer Kern Mikrokern Mikrokern (a) Mit Verwaltung von Dateien, Verzeichnissen und Prozessen Netzwerk (b) Figure 1: (a) Monolithischer Kernel. (b) Mikrokernel. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 7

8 Das erste geschichtete Betriebssystem Operator Benutzerprogramme Ein-/Ausgabe Operator Konsole Speicherverwaltung Prozeßumschaltung Figure 2: Struktur des THE Betriebssystems. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 8

9 Schichten von Unix Other application programs nroff sh cc as cpp comp ld vi Kernel Hardware who a.out date wc cd grep Other application programs Figure 3: Struktur des UNIX-Betriebssystems. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 9

10 Allgemeine Struktur des Unix Kernels user programs User Level Kernel Level trap system call interface libraries file subsystem buffer cache process control subsystem inter-process communication scheduler memory character block management device drivers hardware control Kernel Level Hardware Level hardware Figure 4: Aufbau eines Kernels. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 10

11 Die Architektur von Windows 2000 Figure 5: Windows 2000 Architektur Betriebssysteme Harald Kosch Seite 11

12 Die Grundschleife eines Betriebssystems Interrupt Save Registers What Kind? End Error Non I/O Request I/O Request I/O Completion Next Job or Command Dump Do It Start Request Mark Done Wait Return Return to User Figure 6: Flußdiagramm eines Betriebssystems. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 12

13 Entwurfskriterien Korrektheit Erfordert genaue Spezifikationen Ein Betriebssystem terminiert per Definitionem nie Parallelität erschwert die Garantie für Korrektheit Leistung Hat großen Einfluß Z.B. die zentralen Schleifen vom Disk Driver, oder der Speicherverwaltung laufen millionenmal pro Tag Oft im Widerspruch zur Strukturierung Hängt auch von der Art der Benutzung (Uni, Produktionsumgebung, Heim...) Performance Tuning Sicherheit (protection und security) Schutz vor Fehlern (protection) Schutz vor Angriffen (security) Leichte Verwaltung Seit ca (OS/360) bewußtes Ziel Noch immer sehr schwierig Verteilte Umgebungen Betriebssysteme Harald Kosch Seite 13

14 Grundfunktionalität Prozessverwaltung (Ressourcenverwaltung) Erzeugen, Löschen, Starten und Anhalten von Prozessen Zuweisung von Ressourcen zu Prozessen Isolation (Schutz) von Prozessen voreinander Kommunikation zwischen Prozessen Geräteverwaltung Abstraktion von Hardware-Details Driver Steuerung der Geräte Schnittstelle für die höheren Schichten Speicherverwaltung Verwaltung des Hauptspeichers Verwaltung des virtuellen Speichers Schutz von Speicherbereichen Teilung (sharing) von Speicherbereichen Dateiverwaltung (Objektverwaltung) Abstraktion für Datenmengen Abbildung von Dateien auf physischen Geräten Betriebssysteme Harald Kosch Seite 14

15 Geschichte von Windows/NT und 2000 Microsoft DOS 1.0, 1981, 8 KB, Assembler code, Intel 8086 DOS 2.0, PC/XT, 1983, 24 KB Unterstützung für die Harddisk Hierarchische Directories DOS 3.0, PC/AT (80286), 36 KB DOS 3.3, PS/2 (80386), 46 KB Nützt die Fähigkeiten von 386 nicht aus Keine virtuelle Speicherverwaltung etc. OS/2 gemeinsam mit IBM Microsoft tritt aus Windows 3.0, 1990 Versucht die Oberfläche von Macintosh nachzuahmen Rennt als Zusatz zu DOS Windows NT 3.1, 1993 Die gleiche GUI wie bei Windows 3.1. Sonst selbstständiges, 32-Bit Betriebssystem Windows NT 4.0 GUI wie bei Windows 95 Windows NT 5.0, 1998 Unterstützung für Verteiltheit Windows 2000, 1999 Echtes 32 (64)-bit Multiprogramming System Betriebssysteme Harald Kosch Seite 15

16 Geschichte von Unix V1, AT&T Bell Labs 1970, PDP-7 unter Einfluß von CTSS und Multics (MIT) Multics war in vieler Hinsicht hochwertiger (z.b. security) Neugeschrieben in C und portiert auf PDP-11 Thompson & Ritchie, 1972: The number of UNIX installations has grown to 10, with more expected Erste öffentliche Publikation, 1974, Lizenzen für alle V7, 1978, die Basis für alle weitere Unix Versionen BSD (Berkely Unix), Endversion 4.4 BSD Xenix, SCO, Solaris System V, AIX, OSF/1 Minix, freier Source Code, Unterrichtszwecke, basiert auf V7, Tanenbaum, 1987 Geschichte von Linux Linus Torvalds, 1991, basiert auf Minix, System V, BSD und der Posix Spezifikation Offene Software: gratis und jeder kann frei beitragen GNU Public License: freier Source Code Effizient Durch arme Studenten entwickelt Erstaunlich robust Beiträge werden kontrolliert Betriebssysteme Harald Kosch Seite 16

17 Linux Linus Torvalds: And no, I don t select the people I work with. People tend to select themselves. From: (http://www.crn.com/) Given enough eyeballs, all bugs are shallow. I dub this: Linus s Law.) From: (http://www.tuxedo.org/~esr/writings/) Industrielle Applikationen fallen in letzter Zeit, Einsatz im britischen Polizeinetz, oder bei Google: 4000 Linux-Computer bedienen unsere Anfragen. Aussichten???: Figure 7: Eingespieltes Geld mit LINUX Lösungen. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 17

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