Blätter zur Vorlesung Sommersemester Betriebssysteme. Prof. Dr. P. Schulthess Dr. M. Schöttner & al.
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1 Blätter zur Vorlesung Sommersemester 2004 Betriebssysteme Prof. Dr. P. Schulthess Dr. M. Schöttner & al. Verteilte Systeme, Informatik, Universität Ulm
2 1. Vorschau 1.1 Einordnung & Organisation Voraussetzungen: - Programmierkenntnisse: Java & C. - elementarer Umgang mit Betriebssystemen. Vorlesung 3 SWS, ab : - Dienstag, 08:15-09:45 Uhr, H 21, - Donnerstag, 12:15-13:45 Uhr, H 21, 14-tägig. Übung 1 SWS, ab : - Donnerstag, 12:15-13:45 Uhr, H 21, - 14-tägig im Wechsel mit der Vorlesung - Betreuung: Ralph Göckelmann, Stefan Frenz. Prüfung: 4 SWS bzw. 6 LP: - Diplomprüfung: mündlich, - Master: schriftlich, Termin: letzte Vorlesungswoche. Vorlesungsunterlagen: - als PDF-Dateien unter: ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
3 1.2 Beispiele von Betriebssystemen Unix: Portables Betriebssystem für Workstations. Auch für Mainframe-Rechner. Ursprünglich für PDP11. Geschrieben in der Sprache C. Allgemeines Prozesskonzept. Viele Dienstprogramme, . Standardisierungsgremien (POSIX). Vernetzung über NFS/TCP/IP... X-Window als graphische Bedieneroberfläche. viele Varianten: BSD Unix, Solaris, Linux, Windows 98 & Windows NT: Bill Gates, Microsoft. Für Rechner der 80xxx-Familie. C-Schnittstelle zum Betriebssystem. Mehrprogrammbetrieb. 32-Bit Adressen. Vernetzung TCP/IP, Netbeui & Novell Net. Windows 98/Me für Klientenstationen. Windows NT/2000/XP für Workstations und kleinere Server. MVS: Für IBM Mainframes. Ungeeignet für Arbeitsplatzrechner. Betreuung nur durch den Spezialisten. 3 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
4 Variantenreiche Jobkontrollsprache. VMS: Für Mainframe-Rechner von Digital Equipment. Virtueller Speicher. Hochentwickeltes Dateisystem. Vernetzung über DecNet. Flexible Anbindung von Unix & Mac Systemen. Viele Konzepte in Windows NT übernommen. OS/2 (IBM): Gedacht als Nachfolger von MS-DOS. Für Rechner der 80xx-Familie. Mehrprogrammbetrieb. 32-Bit Adressen. LAN-Manager. Presentation Manager (GUI). Verdrängt durch Windows NT. Teilweise bei Banken noch im Einsatz. Macintosh OS: Xerox-Star Lisa Macintosh. Ursprünglich OS & Toolbox im ROM. Halbwegs objektorientiert. Für Arbeitsplatzrechner mit PowerPC CPUs. Erste marktgängige Bedieneroberfläche mit Desktop Symbolik. Vernetzung über AppleTalk & TCP/IP. System X basiert auf Mach-Kern. Für Grafik & DTP. 4 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
5 Oberon System: Wirth & Gutknecht, ETH Zürich. Kleines Betriebssystem für PCs. Objektorientiert mit Oberon als Sprache. Automatische Freispeichersammlung. Kooperatives Single Tasking. Plurix: Experimentelles verteiltes BS (Universität Ulm). PC-Cluster mit Distributed Shared Memory. Persistenter DSM ersetzt Dateisystem. Transaktionen statt Prozesse. Programmierung in Java. Schnellstart-Option. Code < 200 KByte. 5 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
6 Betriebssystem: 1.3 Definition & Motivation DIN 66029, 1978: Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. Unbek. Autor: An operating system is the software that breathes life into a computer. P. Schulthess: Das Betriebssystem macht den Anwendungssystemen die Betriebsmittel zugänglich; insbesondere Verarbeitungsleistung, Speicher und Kommunikationswege. Betriebsmittel: Betriebsmittel (BM): Ressourcen des Rechensystems. Physikalische BM: Speicher, CPU, Geräte,... Logische BM: Fenster, Dateien,... 6 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
7 BS ist Brücke zw. Hardware und Anwendern Schema aus "Road Map to A/UX" (Apple Comp.): Programme Befehlsinterpreter System-Call interface Kern Treiber Treiber Treiber Treiber Hardware Sichtweise auf das Betriebssystem: - abstrakte Maschine (top-down), - Ressourcenverwalter (bottom-up). 7 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
8 Ziele & Konflikte Ziele: - Effizienz: HW-Ressourcen effektiv bereitstellen. - Zuverlässigkeit: robustes Ausführen von Prgs. - Komfort: einfaches Benutzen des Computers. - Sicherheit: kein unerlaubter Zugriff. Konflikte: - Durchsatz vs. Reaktion - Komfort vs. Overhead - Sicherheit vs. Schnelligkeit -... Nutzen aus BS-Kenntnissen Betriebssystem-Konzepte sind bei vielen Anwendungen wiederverwendbar. BS hat Lösungen für: Koordination, Speicherverwaltung, Adresskonzepte, Sicherheit,... BS-Schnittstellen sind für die Anwendungsentwicklung wichtig. - oft in Bibliotheken gekapselt, - direkte Systemaufrufe effizienter, - bieten oft zusätzliche Funktionalität. 8 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
9 1.4 Inhalt 1. Vorschau 1.1 Einordnung & Organisation 1.2 Beispiele von Betriebssystemen 1.3 Definition & Motivation 1.4 Inhalt 1.5 Literatur 2. Einführung in Betriebssysteme 2.1 Geschichte 2.2 Arten von Betriebssystemen 2.3 Aufgaben eines Betriebssystems 3. Betriebssystemorganisation 3.1 Monolithische Betriebssysteme 3.2 Geschichtete Architekturen 3.3 Mikrokern Systeme 3.4 Virtuelle Maschinen 3.5 Client/Server Architekturen 4. Hauptspeicher 4.1 Einführung 4.2 Anforderungen 4.3 Partitionen im Hauptspeicher 4.4 Speicherverwaltung 4.5 Auslagern von Speicher 4.6 Automatische Freispeichersammlung 9 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
10 5. Virtueller Speicher 5.1 Grundprinzip 5.2 Segmentierung 5.3 Paging 5.4 Segmente & Paging 5.5 Fallstudie: Intel i Beispiel: Linux 5.7 Beispiel: Windows NT 6. Plattenspeicher 6.1 Aufbau einer Festplatte 6.2 Festplatten-Scheduling 6.3 Festplattenorganisation bei PCs 6.4 Speicherverwaltung 6.5 Dateisysteme (FAT, Unix, NTFS) 6.6 Dateisysteme mit Fehlererholung 6.7 Limitierung der Plattennutzung 6.8 Disk Caching 6.9 Memory-Mapped Files 6.10 Redundanz & Spiegelung 7. Nebenläufigkeit 7.1 Terminologie 7.2 Prozesse 7.3 Threads 7.4 Prozess- bzw. Threadumschaltung 7.5 Scheduling (Strategien & Beispiele: Unix & NT) 10 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
11 8. Synchronisierung 8.1 Ausgangssituation 8.2 Kritische Abschnitte 8.3 Wechselseitiger Ausschluss (TestAndSet, Semaphore, Monitore) 8.4 Klassische Problemstellungen 8.5 Verklemmungen 9. Interprozesskommunikation 9.1 Überblick 9.2 Klassifikation 9.3 Kommunikation über Dateien 9.4 Signale in Unix 9.5 Pipes 9.6 Queues in Unix 9.7 Sockets 9.8 LPC in Windows NT 9.9 RPC Remote Procedure Call 10. Ein-/Ausgabe 10.1 Ausgangssituation 10.2 Unterbrechungen 10.3 E/A-Software (Pufferung, Treiberstruktur,...) 11. Bibliotheken 11.1 Programmierschnittstellen 11.2 Prozedurbasierte Bibliotheken 11.3 Objektorientierte Bibliotheken 11.4 Systemaufruf am Beispiel von NT 11 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
12 12. Benutzerschnittstellen 12.1 Überblick 12.2 Befehlsinterpreter 12.3 X Window 12.4 Microsoft Windows (Ereignisverarbeitung) 13. Sicherheitsaspekte 13.1 Einleitung 13.2 Zugangskontrolle 13.3 Zugriffskontrolle 13.4 Supervisor Betriebsmodus 13.5 Isolation der Adressräume 13.6 Angriffsformen 14. Fallbeispiel Plurix 14.1 Entwurfsziele und Visionen 14.2 Speicherverwaltung 14.3 Nebenläufigkeit 14.4 Ein-/Ausgabe 14.5 Plattenspeicher 14.6 Native Java Compiler 14.7 CeBIT 2000 Demo 12 ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
13 1.5 Literatur - Stallings William: Betriebssysteme, Prentice Hall, Pearson Studium, 4. Auflage, Tanenbaum Andrew: Moderne Betriebssysteme, München, Prentice Hall, Silberschatz, Galvin: Operating System Concepts, Addison-Wesley, Nehmer Jürgen und Sturm Peter: Systemsoftware. Grundlagen moderner Betriebssysteme, dpunkt-verlag, Heidelberg, Traub, Stefan: Verteilte PC-Betriebssysteme, Teubner Verlag Solomon, David: Inside Windows NT, Microsoft Press, 2 nd Edition, Custer, Helen: Inside the Windows NT file system, Microsoft Press, Windows Interna: - Herold, Helmut: Linux-Unix-Systemprogrammierung, 2. Aufl., Addison-Wesley, Beck, Michael: Linux-Kernel-Programmierung: Algorithmen und Strukturen der Version 2.2, 5. Auflage, Addison-Wesley, ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm
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