Überblick und Aufgaben

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1 Aufgaben eines Betriebssystems Komponenten und Benutzer eines Rechnersystems Endbenutzer Applikationen Middleware Applikations- Programmierer System- Programmierer Betriebssystem Hardware 5

2 Aufgaben eines Betriebssystems Das Betriebssystem als Betriebsmittel-Verwalter Betriebsmittel Hardware-Betriebsmittel Prozessor Hauptspeicher Sekundärspeicher (Harddisk, Floppy,...) Ein-Ausgabe-Geräte (Drucker, Tastatur, Maus, Scanner,...) Netzwerke Software-Betriebsmittel Programme (Applikationen, Datenbanken, Compiler, Middleware, Betriebssystem) Dateien Web-Seiten Betriebsmittel verwalten Betriebsmittel... oder Wer kontrolliert die Kontrolleure? Prozesse... in Ausführung befindliche Programme sind Betriebsmittel benutzen Betriebsmittel stellen Betriebsmittel zur Verfügung 6

3 Aufgaben eines Betriebssystems Die Betriebsarten Stapelverarbeitung (batch processing) Aufträge sind Jobs Menge von Programmen und Daten Vollständige Ausführung ohne weitere Interaktion mit dem Benutzer Eher länger laufend (number crunching) Ein- oder Mehr-Programm-Betrieb (multiprogramming) Rechner aller Grössenordnungen Grossrechner (mainframe) hohe Zahl gleichzeitiger Benutzer Abteilungsrechner geringere Zahl gleichzeitiger Benutzer Arbeitsplatzrechner/PC nur ein gleichzeitiger Benutzer Interaktiver Betrieb Aufträge sind Transactions Zwischen zwei oder mehreren Transaktionen erfolgt Eingriff durch Benutzer Hohe Interaktion zwischen Benutzer und Rechnersystem Ein- oder Mehr-Programm-Betrieb (multiprogramming) Typische Betriebsart bei Grossen Datenbanken Interaktiver Programmentwicklung Textverarbeitung, Spreadsheets,.. 7

4 Aufgaben eines Betriebssystems Die Betriebsarten Echtzeit-Betrieb (real-time processing) Aufträge sind Reaktionen auf Ereignisse Reaktionen müssen in strikt definierten Zeitintervallen erfolgen Zeitlicher Abstand aufeinanderfolgender Ereignisse nach unten begrenzt Permanent laufend oder aktiviert (stand-by) Nie universal wie in den beiden anderen Betriebsarten Fast immer im Ein-Programm-Betrieb Typischer Einsatz Produktions- und Fertigungssteuerungen (Fliessband, Qualitätskontrolle,...) Steuerungssysteme in Verkehrsmitteln (Flugzeug, Bahn, Auto,...) Automatisierte Haushaltsgeräte... Kombinierter Betrieb Interaktiver Betrieb und Stapelverarbeitung gemeinsam Interaktiv ablaufende Programme (high priority) Stapelverarbeitung (low priority) Zwingend Mehr-Programm-Betrieb (multiprogramming) 8

5 Aufgaben eines Betriebssystems Unterschiede zwischen Applikationsprogrammen und Betriebssystem Applikationen Programmablauf vollständig und eindeutig durch Programmzustand bestimmt Zeit irrelevant für den Ablauf (ausgenommen Echtzeit-Betrieb) Applikationen sind weitgehend in sich abgeschlossene Systeme Betriebssystem Betriebsssystem muss den Zustand aller Applikationen kennen und berücksichtigen Reaktionen des Betriebssystems müssen zeitsensitiv erfolgen Konkurrente Steuerungen zur Lenkung des Mehr-Programm-Betriebs Betriebssysteme müssen andere Konstrukte haben als Applikationen potentielle Konflikte (Zugriffe auf Betriebsmittel) erkennen, lösen und schlichten 9

6 Strukturen von Computer-Systemen Komponenten eines Computersystems Prozessor Disk-Steuerung Drucker-Steuerung Band-Steuerung Band-Steuerung Speicher-Steuerung Drucker-Steuerung System-Bus Speicher Abläufe im Computersystem gleichzeitig / konkurrent / parallel abhängig / unabhängig synchron / asynchron Betriebssysteme LR-unizh

7 Strukturen von Computer-Systemen Ereignisse und Interrupts Ereignisse werden durch Interrupts signalisiert Interrupts werden in der Hardware und in der Software erzeugt Hardware Interrupts grundsätzlich asynchron zum Programmablauf Timer (Prozessur-Uhr) I/O-Ende (I/O-Steuerung) Hardware-Fehler (z.b. Stromversorgung, Speicherfehler) Software Interrupts grundsätzlich synchron zum Programmablauf Programmfehler (ungültige Instruktion, nicht definierte Adresse, etc.) Operandenfehler (Division durch Null) System Call / Supervisor Call / Monitor Call (Service-Anforderungen an das Betriebssystem) 11

8 Strukturen von Computer-Systemen Synchrone versus asynchrone I/O anfordernder Prozess wartet anfordernder Prozess Geräte- Treiber Geräte- Treiber Interrupt- Handler Interrupt- Handler Datenübertragung Datenübertragung synchron Zeit asynchron Zeit 12

9 Strukturen von Computer-Systemen Speicherhierarchie Wichtige Fragen Register Cache Hauptspeicher Disk Zugriffszeit vs. Kapazität Expliziter vs. impliziter Austausch zwischen den Hierarchiestufen Konsistenz in der Hierarchie Kohärenz in Multiprozessor- Umgebungen Aktualisierung von Replikas in verteilten Systemen... Archivspeicher 13

10 Strukturen von Betriebssystemen Betriebssystem-Komponenten Prozess-Verwaltung Benutzer-Prozesse System-Prozesse Aufgaben der Prozess-Verwaltung Kreieren und Terminieren von Applikations- und System-Prozessen Suspendieren und Reaktivieren von Prozessen Prozess-Synchronisation und Kommunikation Deadlock-Behandlung Speicher-Verwaltung Aufgaben der Speicher-Verwaltung Buchführung über freie und belegte Hauptspeicherbereiche Kommunikation mit den in der Hierarchie angrenzenden Speichermedien Prozess-Isolation Dynamische Allokation und Deallokation von Hauptspeicher Speicherschutz und Zugriffskontrolle 14

11 Strukturen von Betriebssystemen Betriebssystem-Komponenten Prozessor-Verwaltung Multiprogramming und Prozessor-Zuteilung Ein- und Mehr-Prozessor-Systeme, Realzeit-Systeme Dispatcher und Scheduler Aufgaben der Prozessor-Verwaltung Zuteilungs-Algorithmen Vorrang-Unterbrechung (preemption) Zuteilungs-Kriterien Durchsatz throughput Antwortzeit response time Prozessor-Auslastung processor utilization Umlaufzeit turnaround time Geräte-Verwaltung Aufgaben der Geräte-Verwaltung Einheitliche Konzepte für unterschiedliche Geräte (Treiber-Routinen) Verschiedene Charakteristika (Übertragungs-Modus, Zugriffs-Modus,...) Leistungs-Gesichtspunkte 15

12 Strukturen von Betriebssystemen Betriebssystem-Komponenten Datei-Verwaltung Datei-Konzepte, -Attribute und -Operationen Zugriffs-Methoden Verzeichnis-Strukturen und Implementierungen Allokations-Methoden Betriebssystem-Strukturen Monolithische Systeme Schichtenstrukturierte Systeme Virtuelle Maschinen Client-Server-Modelle 16

13 Zentrale versus verteilte Kontrolle Mehrere Prozessoren 3 Klassen von Betriebssystemen Netzwerk-Betriebssysteme (lose gekoppelte Software auf lose gekoppelter Hardware) Verteiltes Betriebssysteme (eng gekoppelte Software auf lose gekoppelter Hardware) Multiprozessor-Betriebssysteme {SMP = Symmetrischer Multiprozessor} (eng gekoppelte Software auf eng gekoppelter Hardware) Eigenschaft Netzwerk- Betriebssystem Verteiltes Betriebssystem Multiprozessor- Betriebssystem Verhalten wie virtuelles Ein-Prozessor-System? Nein Gleiches Betriebssystem auf allen Knoten? Nein Anzahl Kopien des Betriebssystems? n n 1 Realisierung der Kommunikation? gemeinsame Dateien Nachrichtenaustausch gemeinsamer Speicher Gemeinsame Netzwerk-Protokolle? Nein Nur eine Prozess-Warteschlange? Nein Nein Sauber definierte Semantik für gemeinsame Daten-Nutzung? üblicherweise nicht 17

14 Zentrale versus verteilte Kontrolle Verteilte Verarbeitung, Client/Server und Cluster Generische Client/Server-Umgebung Clients LAN WAN = Modell für die Interaktion konkurrent ausgeführter Prozesse = Aufteilung einer Applikation in Teilaufgaben, die auf unterschiedlichen Plattformen autonom ausgeführt werden = Client und Server kooperieren auf gleichberechtigter Basis Servers 18

15 Zentrale versus verteilte Kontrolle Verteilte Verarbeitung, Client/Server und Clusters Middleware in Client/Server-Umgebungen Präsentationsdienste Applikations- Logik Middleware Kommunikations- Software Client- Betriebssystem Hardware Client Interaktion Middleware Protokoll Kommunikations- Software Middleware Hardware Hardware Server Client- Server- Betriebssystem Betriebssystem Applikations- Software 19

16 Zentrale versus verteilte Kontrolle Verteilte Verarbeitung, Client/Server und Clusters Clusters als Alternative zu SMPs = Gruppe miteinander verbundener vollständiger Computer, die im Verbund wie auch separat betrieben werden können Ziele des Cluster-Entwurfs Absolute Skalierbarkeit grosse Anzahl von Knoten möglich höhere Leistungsfähigkeit als grösster Stand-alone jeder Knnoten kann Multiprozessor sein Inkrementelle Skalierbarkeit Erweiterung in kleinsten Einheiten möglich kein Ersatz installierter Komponenten nötig Hohe Verfügbarkeit Ausfall eines Knotens unkritisch (graceful degradation) Fehlertoleranz durch Software gelöst Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis Benutzung von Standard-Modulen geringere Kosten als Stand-alone-Computer 20

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