Grundlagen der Informatik. Teil VI Betriebssysteme

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1 Grundlagen der Informatik Teil VI Betriebssysteme Seite 1

2 Definition nach DIN: Unter Betriebssystem versteht man alle Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechnersystems bilden und insbesondere die Abwicklung von (Anwendungs-)Programmen steuern und überwachen. Seite 2

3 Geschichte 1. Generation ( ): Röhren und Steckbretter Kein Betriebssystem Programme wurden in Maschinensprache geschrieben Nicht selten wurden Kabel umgesteckt Programmiersprachen waren unbekannt 2. Generation ( ): Transistoren und Stapelsysteme (batch systems) Mit Einführung der Lochkarte 1950 war es nun möglich, Progr. auf Lochkarten zu schreiben und einzulesen Erfindung des Transistors (leistungsfähigere Rechner) Unterscheidung zw. Designer, Computerarchitekten, Operator, Programmierer und Wartungspersonal. Seite 3

4 Geschichte 3. und 4. Generation ( ): Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On Line) Jobs wurden von Lochkarten auf Festplatte (in Warteschlange) geschrieben, sobald diese in den Computerraum gebracht wurden Immer wenn ein Job beendet war, konnte Betriebssystem sofort einen neuen Job von der Festplatte in den nun leeren Speicherbereich laden und starten spooling-technik auch für Ausgaben Seite 4

5 Geschichte Timesharing Einteilen der CPU-Zeit in Zeitscheiben Jeder Anwender hat sein eigenes Terminal (Bildschirm und Tastatur), das direkt mit Computer verbunden ist Abwechselnd hat jeder Benutzer CPU für kurze Zeitspanne. Kurze Jobs wurden meist in dieser Zeitscheibe erledigt, zeitaufwändigere Jobs benötigten mehrere solche Zeitscheiben. War die Zeitscheibe abgelaufen, wurden sie aus CPU entfernt und wieder in Warteschlange eingereiht. Bei der nächsten Zuteilung der CPU wurde Ausführung an der Stelle fortgesetzt, an der die Unterbrechung stattfand. Seite 5

6 Geschichte 5. Generation ( heute): Drei wichtige Betriebssysteme: MS-DOS als erstes standardisiertes Betriebssystem für Personal Computer (single-user) WindowsXX-Systeme als Nachfolger von MS-DOS (Multitasking) Unix / Linux als Betriebssystem für Großrechner und PCs (Multitasking und Multiuser) Neben heute allgemein bekannten Betriebssystemen aus dem PC-Bereich, wie z.b. Linux und Windows, gibt es vor allem für Embedded Systeme viele weitere Betriebssysteme Seite 6

7 Grundaufgaben Grundaufgaben Schnittstelle zwischen Mensch und Hardware Verwalter von Ressourcen Seite 7

8 Grundaufgaben Schnittstelle zwischen Mensch und Hardware Bedienschnittstelle (GUI, Graphic User Interface) 2 verschiedene Arten von Benutzeroberflächen: 1. Dialogorientierte Konsole Benutzer gibt über Tastatur Befehle ein und erhält entsprechende Antworten 2. Grafische Benutzeroberfläche intuitive Erledigung von Aufgaben über Aktivieren von Schaltflächen, Menüs und Symbolen mit der Maus So gut wie alle modernen Betriebssysteme besitzen Varianten beider Arten von Oberflächen. Seite 8

9 Grundaufgaben Programmierschnittstelle (API, Application Progr. Interface) Wichtige Aufgaben eines Betriebssystems sind: Programmierer leicht verständliche und gut handhabbare Schnittstelle zur eigentlichen Maschine anzubieten und Komplexität der darunterlieg. Maschine zu verstecken Ansprechpartner für Programmierer ist nicht mehr Maschine, sondern virtuelle Maschine (Betriebssystem), die wesentlich einfacher zu verstehen / programmieren ist: Seite 9

10 Grundaufgaben Verwalter von Ressourcen alle Einzelteile eines komplexen Systems (Prozessoren, Arbeitsspeicher, Festplatten, Bildschirme, Drucker, usw.) zu verwalten Ein Betriebssystem muss eine geordnete und kontrollierte Zuteilung von Prozessoren, Speichereinheiten und Peripheriegeräten unter den verschiedenen Programmen, welche darum konkurrieren, sicherstellen Seite 10

11 Aufbau / Dienste Prozessmanagement Verschied. laufenden Programmen und Aufgaben müssen Prozessor und auch andere Ressourcen zugeteilt werden Einzelne Aufgaben werden als Prozesse ausgeführt, die vom Betriebssystem verwaltet werden Speichermanagement Oft passen nicht alle Programme/Daten in den Speicherplatz Speichermanagement sorgt dafür, dass immer die gerade benötigten Speicherinhalte zur Verfügung stehen, ohne dass Anwendungssoftware sich darum kümmern muss Seite 11

12 Aufbau / Dienste Dateiverwaltung Logik der Dateiverwaltung wird in Form von Dateisystemen vom Betriebssystem bereitgestellt, damit alle Programme auf dieselbe Art und Weise darauf zugreifen können Hardware-Steuerung, Geräteverwaltung, E/A-Steuerung Gerätetreiber sind gerätespezifische Programme, die in das Betriebssystem eingebunden (installiert) werden und die Steuerlogik für bestimmte Hardware enthalten Betriebssysteme steuern die Zusammenarbeit mit vielen verschiedenen Ein- und Ausgabegeräten wie Tastatur und Bildschirm, Datenträgern oder Netzwerken. Bereitstellen der Benutzeroberfläche Seite 12

13 Schichtenaufbau Seite 13

14 Prozesse / Scheduling Prozess-Konzept Schlüsselkonzept moderner Betriebssysteme Anwendungsprogramme werden in Form von Prozessen verwaltet und zum Ablauf gebracht Multitasking mehrere Prozesse abwechselnd bearbeiten Auswahl des nächsten zu bearbeitenden Prozesses und Umschaltung erfolgt durch Scheduler- bzw. Dispatcher Programm, das zu bestimmten Zeitpunkten oder bei bestimmten Ereignissen gestartet wird Scheduler-Programm unterbricht dabei den gerade laufenden Prozess und startet u.u. anderen Prozess Seite 14

15 Scheduling Scheduling Alle Prozessorregister vom gerade ablaufenden Prozess und weitere temporär belegte Speicherplätze sichern Prozess-Kontext umfasst neben Prozessor-Registern noch Stack-Speicher, der zur Ablage temporärer Variablen und Funktions-Rücksprungadressen dient Zum Sichern werden Registerinhalte auf Prozess-Stack kopiert und da jeder Prozess bei Multitasking eigenen Stack- Speicherbereich hat, bleibt er für Prozess erhalten Bei Prozess-Wechsel wird einfach auf Stack-Adresse des neuen Prozesses umgeschaltet und gesicherte Prozessorregister werden wieder geladen. Jeder Prozess hat einen eigenen Speicherbereich, der über das virtuelle Speichermanagement verwaltet wird Seite 15

16 Threads (Multithreading) Threads quasi-parallel laufende Ablauffäden innerhalb eines Prozesses, die sich alle Ressourcen des Prozesses teilen, vor allem den Speicher des Prozesses, weshalb sie auch einfach untereinander Daten austauschen können Daher auch kein gegenseitiger Speicherschutz Umschalten erfolgt wie zw. Prozessen durch Scheduler Alle modernen Betriebssysteme stellen für die dynamische Erzeugung von Threads innerhalb eines Programms bzw. Prozesses eigene spezielle Dienstfunktionsaufrufe zur Verfügung Seite 16

17 Scheduling-Verfahren Threads quasi-parallel laufende Ablauffäden innerhalb eines Prozesses, die sich alle Ressourcen des Prozesses teilen, vor allem den Speicher des Prozesses, weshalb sie auch einfach untereinander Daten austauschen können Daher auch kein gegenseitiger Speicherschutz Umschalten erfolgt wie zw. Prozessen durch Scheduler Alle modernen Betriebssysteme stellen für die dynamische Erzeugung von Threads innerhalb eines Programms bzw. Prozesses eigene spezielle Dienstfunktionsaufrufe zur Verfügung Seite 17

18 Scheduling-Verfahren statisches Scheduling statische Systeme (z.b. kleine Embedded Systeme) mit immer gleichen Aufgaben dynamische Scheduling größere Systeme (mit beliebig start- und anhaltbaren Programmen) nächster abzulaufender Prozess oder Thread wird innerhalb eines Prozesses vom Scheduler nach einem bestimmten Algorithmus bestimmt Seite 18

19 Scheduling-Verfahren Kooperative Verfahren Hier muss Prozess den Prozessor freiwillig abgeben, d.h. direkt oder indirekt selbst Scheduler aufrufen, um einem anderen Prozess Ablauf zu ermöglichen Konkurrierende Verfahren Hier kann Scheduler dem gerade laufenden Prozess den Prozessor entziehen, was vorzeitige Unterbrechung bewirkt (Preemption) Scheduler muss für anzuhaltenden Prozess Sicherung und für ausgewählten weiterlaufenden Prozess die Restaurierung des Prozess-Kontextes durchführen Seite 19

20 Scheduling-Verfahren Konkurrierende Verfahren: Zwei Möglichkeiten, Scheduler aufzurufen: 1. zeitgesteuert (zu festen oder variablen Zeiten): Prozesse erhalten ihre Rechenzeit in abwechselnder Reihenfolge 2. ereignisgesteuert (bei Eintritt bestimmter Ereignisse): Prozesse erhalten ihre Rechenzeit nach Priorität Seite 20

21 Scheduling-Verfahren In PC-Betriebssystemen zeitgesteuertes Scheduling, kombiniert mit Anteilen eines ereignisgesteuerten Scheduling Anwendungs-Prozesse/Threads erhalten bestimmte Prioritäten Wichtige (System-)Proz. haben höhere Prio. und laufen, sobald durch Ereignis aktiviert (vor Anwender-Proz.) In Embedded- und Echtzeitsystemen liegt Schwerpunkt bei ereignisgesteuertem Scheduling nach Prozessprioritäten Seite 21

22 Scheduling-Verfahren Hauptzustände und Übergänge von Prozessen und Threads Seite 22

23 Synchronisationsmechanismen Semaphore Häufig zur Synchronisation von Prozessen/Threads mittels gegenseitigen Ausschlusses (mutual exclusion) eingesetzt Seite 23

24 Synchronisationsmechanismen Sind üblicherweise boolsche oder ganzzahlige Variable mit einer zugehörigen Warteschlange für Tasks Möchte Task nicht freie Semaphore nehmen, wird sie auf Wartend gesetzt und in Semaphore-WS eingetragen Beim Zurückgeben der Semaphore wird eine in WS eingetragene Task sofort wieder Laufbereit stellt sicher, dass Tasks nur dann warten müssen, wenn sie gleichzeitig gleichen kritischen Abschnitt betreten möchten Seite 24

25 Synchronisationsmechanismen Synchronisationsprobleme Circular-wait: Typische Verklemmung (Deadlock) Strategien zur Vermeidung von Deadlocks sind: Gründliche Systemanalyse beim Design z.b. alle Prozesse, die beide Ressourcen belegen, belegen diese immer in gleicher Reihenfolge (zuerst X und dann Y) Erkennen und Auflösen von Deadlocks zur Laufzeit Seite 25

26 Synchronisationsmechanismen Verschiedene Semaphore-Dienste Mutex-Semaphore dienen zum gegenseitigen Ausschluss (mutual exclusion) Counting-Semaphore erlauben bestimmter Anzahl von Tasks den krit. Abschnitt zu betreten, bevor neu ankommende Tasks warten müssen So lassen sich Zähler realisieren, die es Tasks erlauben, Daten in oder aus einem Puffer mit einer endl. Anzahl von möglichen Einträgen zu schreiben bzw. zu lesen Ereignis-Dienste bzw. signalisierende Semaphore Damit kann eine Task auf Ereignis warten, das andere Task oder Interrupt-Service-Routine (ISR) sendet. Ist Ereignis eingetreten, kann wartende Task weiterlaufen Seite 26

27 Zeitdienst (Timer) Zeitdienste Systeminterne Verwendung Verwaltung von Datum und Uhrzeit (Kalender) Bestimmung von Zeiten beim Zeitscheiben-Scheduling Verwendung in Anwendungs-Programmen Anhalten des Programmablaufs für gewisse Zeitdauer Warten auf Ressourcen, wie z.b. auf eine Semaphore, freien Speicher oder auf Ereignisse Seite 27

28 Zeitdienst (Timer) Um Nutzung mehrerer Zeitdienste durch verschiedene Prog. zu ermöglichen meist als Software-Timer realisiert Seite 28

29 Zeitdienst (Timer) unterschiedliche Dienstfunktionsaufrufe: Eintrag Ablaufzeitwert in Timer und Zustand Wartend Nach Ablauf des Timers erhält Task Zustand Laufbereit zurück und nimmt am Scheduling wieder teil Eintrag Ablaufzeitwert und Funktionsadresse oder Objektreferenz in einen Timer Task läuft weiter, bei Timer-Ablauf wird Callback-/Timer-Handler-Funktion bzw. Objektmethode aufgerufen Eintrag Ablaufzeitwert und Ereignis-/Nachrichtenkennung in einen Timer Bei Timerablauf wird Ereignis/Nachricht mit gegebener Nummer an Task gesendet, das diese erwarten bzw. die von ihr dann bearbeitet werden muss Seite 29

30 Speicherverwaltung Möglichkeiten für Zuteilung/Verwaltung von Arbeitsspeicher Benötigter Speicher bereits zur Compilierzeit fest vergeben z. B. in C für alle außerhalb von Funktionen und für alle statisch definierten Variablen (z.b. static int i;) Speicherplätze für gesamte Progr.-Laufzeit verfügbar Speicherbereich zur Compilierzeit festgelegt, der zur Laufzeit vom System dynamisch verwendet werden kann Verwaltung/Zuteilung als einfacher Stapelspeicher für funktionslokale Variablen und Rücksprungadressen Dynamische Belegung und Freigabe zur Progr.-Laufzeit Verwaltung eines Heap-Speichers erfordert zur Laufzeit Speichermanagement, das Speicherblöcke als belegt und als frei kennzeichnet (in C malloc() und free()) Seite 30

31 Dateiverwaltung und Dateisysteme Dateisystem muss Daten auf Speichermedium in geeigneter Form zugänglich machen, ohne dass Benutzer sich um Details der internen Datenorganisation kümmern muss Daneben bietet ein Dateisystem Schutzmechanismus, der sicherstellt, dass Dateien nur von Anwendern gelesen oder geändert werden dürfen, die dazu berechtigt sind Unterschiedliche Arten von Dateien, wie z.b.: Normale Dateien (Textdateien, Bilddateien, usw. Verzeichnisse (Directories) Verweise (Links) auf andere Dateien usw. Seite 31

32 Dateiverwaltung und Dateisysteme Inode-Prinzip des ext2-dateisystems Seite 32

33 Dateiverwaltung und Dateisysteme Gruppenkonzept und Aufbau des ext2-dateisystems Aufbau einer ext2-gruppe Superblock jeder Gruppe ist Kopie des Superblocks des Dateisystems und beinhaltet Informationen zur Blockgröße, Zahl der Inodes und Datenblöcke, Status des Dateisyst.,... Gruppendeskriptoren beinhalten Informationen zur relativen Lage der Bitmaps und der Inode-Tabelle in einer Gruppe Seite 33

34 Dateiverwaltung und Dateisysteme Nach Bootsektor einzelne Gruppen, die alle gleich groß sind. Anzahl der Gruppen wird durch Größe der Partition und gewählte Blockgröße/Inode-Zahl bestimmt. Seite 34

35 Geräteverwaltung und Treiber Typische Funktionen einer Standard-Treiber- Schnittstelle (vom Geräte-Treiber bereitgestellt): create(), open(), close(), remove() um Anlegen, Öffnen, Schließen, Entfernen eines Geräts read(), write() zum Lesen/Schreiben vom/zum Gerät ioctl() zur Änderung von internen Geräteparametern Kommunikation eines Anwendungsprogramms mit dem Geräterfolgt dann über die definierte I/O-Systemschnittstelle des Betriebssystems und Treiberprogramms Seite 35

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