Betriebssysteme Teil 1: Einführung

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1 Betriebssysteme Teil 1: Einführung

2 Literatur [1-1] Carsten Vogt: Betriebssysteme, Spektrum, 2001 [1-2] Andrew S. Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme, 2. Auflage, Hanser, 1995 [1-3] Andrew S. Tanenbaum: Structured Computer Organisation, Prentice-Hall, 1984 [1-4] B.W. Kernighan, D.M. Ritchie: The C Programming Language, Prentice-Hall, 1988 [1-5] Wolf, Jürgen: C von A bis Z. Galileo Computing, 3. Auflage, 2009 [1-6] M.K. Johnson, E.W. Troan: Anwendungen entwickeln unter Linux, Addison-Wesley, 1999 [1-7] R.G. Herrtwich, G.Hommel: Kooperation und Konkurrenz, Springer, 1989 [1-8] Siever, Ellen et. al: Linux in a Nutshell. O Reilly,

3 Links [WWW-1] [WWW-2] ms?uselang=de [WWW-3] 3

4 Ein paar Zitate zur Einstimmung Thomas Watson (IBM), 1943: "I think there is a world market for maybe five computers. Popular Mechanics (Zeitschrift, 40er Jahre): "Computers in the future may weight no more than 1.5 tons. Bill Gates, 1981: "640 Kbytes ought to be enough for anybody. Ken Ohlson (Gründer von DEC), 1977: "There is no reason anyone would want a computer in their home. [DEC hat in den 70er Jahren sehr gute Geschäfte mit Mini-Computern gemacht] 4

5 Zum Begriff des Betriebssystems Definition "Betriebssystem": [DIN 44300] Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten [..] bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. "An operating system is a set of programs and routines which guide a computer in the performance of its tasks and assist the programs (and programmers) with certain supporting functions." A.P. Sayers (1971) 5

6 Aufgaben des Betriebssystems Steuerung und Überwachung der Programmausführung Starten und Stoppen von Programmen Betriebsmittel verwalten und optimiert Programmen zuordnen: Speicher, CPU, Platten, Drucker und weitere periphere Geräte Synchronisation zwischen Prozessen realisieren Zugang und Berechtigungen kontrollieren: Passwortschutz, Zugriffe auf Betriebsmittel kontrollieren Ausfallschutz und Sicherheit (Reliability) realisieren: Z. B. RAID (Ausfallsichere Platten) Verbindungen mit anderen Rechnern realisieren Kosten der Benutzung erfassen (Accounting) 6

7 Verfahren der Betriebssysteme Umschalten zwischen Programmen bei wenigen CPUs Planung der Zuordnung von Betriebsmitteln an ein Programm (Scheduling) Betriebsmittel können sein: Datei, Filesystem, Maus, Bildschirm, Speicher (RAM) Verwaltung der Betriebsmittel Speicherzugriffsschutz (Virtueller Speicher) Echtheitsprüfung (Authentifizierung) der Benutzer/innen Zuordnung von Rechten an Programme (Autorisierung) Virtualisierung des eigenen oder eines anderen Betriebssystems Bereitstellung einer (einfachen) Benutzungsoberfläche 7

8 Programme und Prozesse I Programm = Sequentiell interpretierte Kette von Instruktionen Sequentiell bedeutet, dass vor der Wirksamkeit der nächsten Instruktion alle Effekte (Semantik) der aktuellen Instruktion realisiert sind. Thread = Faden = Sequentiell interpretierte Kette von Instruktionen als Teil eines Programms Es können mehrere Threads innerhalb eines Programms ablaufen, ohne dass etwas wirklich parallel abläuft. Die Threads können aber auch echt parallel laufen. Prozess = Process = Task = Programm innerhalb eines eigenen von anderen Prozessen getrennten Bereichs im RAM Ein Thread ist die kleinste zu verwaltende Einheit von Betriebssystemen bei der Zuordnung an CPUs. 8

9 Programme und Prozesse II Das Verfahren eine CPU zwischen verschiedenen Programmen bzw. Threads für den Menschen unbemerkt umzuschalten, wird Multitasking genannt. Bei dieser Form gibt es keine Parallelität. Parallel sind Instruktionen, wenn deren Effekte gleichzeitig wirksam werden. Dies ist nur bei mehreren CPUs möglich. In dieser Veranstaltung wird meistens von 1-CPU-Systemen ausgegangen, d.h. es gibt nur sequentielle Programme. Das gilt auch für das Pipelining und für die Intel-Technologie Hyperthreading. An einigen Stellen wird von mehreren CPUs ausgegangen. 9

10 Geschichte der Betriebssysteme Die Geschichte der Betriebssysteme ist eng gekoppelt mit der Hardware-Technologie, so dass die Geschichte beider Bereiche sich überlappt. Experimentelle Betriebssysteme in Labors und Universitäten waren immer ca Jahre von der Leistungsfähigkeit her den kommerziellen Betriebssystemen voraus. Hiervon gibt es nur zwei bekannte Ausnahmen: Multics und das Star-System. Beide entsprachen der jeweiligen (und teilweise noch heutigen) Forschung, waren kommerziell verfügbar und wurden vom Markt ignoriert. 10

11 Geschichte I (Auszug) 1886 Hermann Hollerith Lochkarten bei Volkszählung in den USA 1937 Z1 von Konrad Zuse 1941 Z3 von Konrad Zuse, 64 Worte a 22 Bit = 176 Byte 1944 H. Aiken: Mark I Addition: 0,33s, Multiplikation: 6s Grace Murray Hopper (Erfinderin von Cobol) findet einen Bug 1946 ENIAC, Röhren, Relais, 30t Gewicht Addition: 0,2s, Multiplikation: 2,8ms 1969 Multics, Projekt am MIT, Honeywell Bull 1972 Intel 8008, Programmiersprache C 1973 UNIX Version Xerox Palo Alto Research Center (PARC) Star-System, Ethernet, Laserdrucker, Windowsystem 1974 Intel 8080, Motorola MC CP/M mit BIOS 11

12 Geschichte II (Auszug) 1980 MC PC-XT, MS-DOS 1983 UNIX System V 1984 PC-AT (MS DOS), LISA (Apple, AppleOS) 1985 Windows Atari TOS 1991 Beginn LINUX 1992 MS Windows MS Windows MS Windows NT MS Windows 2000 (NT 5) 2002 MS Windows XP 2007 MS Vista 12

13 Phasen in der Betriebssystemgeschichte Zeitraum 50er/60er Jahre 60er Jahre 60er/70er Jahre 70er/80er Jahre 80er/90er Jahre Ab 90er Jahre Phase Manuelle Bestückung des Rechners Lochkarten durch Programmierer/Operator Automatisierte Bestückung des Rechners Batch-Betrieb mit Warteschlangen, jedoch nur 1 Job Batchbetrieb im Mehrprogrammbetrieb Interaktive Benutzung Vernetzte interaktive Benutzung Mobil und multimedial integriert 13

14 Betriebsarten Ein-Benutzer- versus Mehrbenutzer-Betrieb Beim Mehrbenutzerbetrieb können mehrere Personen getrennt dieselben Betriebsmittel benutzen. Nur bei widersprechender Benutzung derselben Mittel treten Störungen auf. Engl. Single/Multi User Mode Beispiele für Betriebssysteme: Multi User: UNIX, LINUX, *BSD Single User: Windows NT (vor 4.0), Windows 95/98/ME Einprogramm- versus Mehrprogramm-Betrieb Beim Mehrprogrammbetrieb sind mehrere gleichzeitig parallel laufende Programme (Prozesse) möglich. Engl. Single/Multi Tasking Beispiele für Betriebssysteme: Single Tasking: MS-DOS, MacOS 7 Multi Tasking : UNIX/LINUX, Windows NT, XP, Vista, 7 14

15 Architektur moderner Betriebssysteme I Prinzipielle Struktur des Kernels Kernel = Teil des Betriebssystems, der permanent im RAM liegt Die Pfeile zeigen die Benutztbzw. Aufruf-Beziehung an. 15

16 Architektur moderner Betriebssysteme II Systemaufrufe Realisierung der Syscalls Prozesse Implementierung des Prozess-Managements Sync Synchronisationsverfahren Memory Speicherverwaltung Threads einige Kernel-interne Threads Dateisystem Realisierung der Dateien Treiber Schnittstellen zur I/O-Hardware Puffer Verwaltung von Zwischenspeichern Die farbig markierten Bereiche werden in den folgenden Einheiten behandelt. 16

17 Architektur moderner Betriebssysteme III Die abgebildete Architektur orientiert sich an einem monolithischen Kernel, was aber nicht sein muss, denn die einzelnen Komponenten können durchaus in verschiedenen Adressräumen liegen. Microkernel sind sehr klein, der größte Teil der Komponenten ist in kernel-externen Prozessen ausgelagert. Dies wird später noch genauer behandelt. 17

18 Weitere (alte) kommerzielle Betriebssysteme IBM MVS, TSO OS/360..OS/390 VM/360, VM/370 AS/400 Siemens: BS2000 Sun: SunOS, Solaris Apple AppleOS/MacOS MacOS X mit Mach-Kernel 18

19 Geschichte von UNIX bis Version Version 6 Version BSD XEN IX System III BSD Version System V XEN IX 3.0 System V.2 Ultrix BSD SunOS 1984 System V XEN IX 5.0 Ultrix BSD 4.4 Mach Solaris AIX System V SCO UN IX 1990 AIX 3 System V OSF/1 OSF/1 19

20 Beispiele einiger, auch früherer UNIX-Systeme NetBSD 1.0 Solaris 2.4 BSD/OS UnixWare 2 V2.0.2 AIX 4.1 Digital UNIX 3.2.C HP-UX IRIX 5.3 Sinix V5.43 MAX/OS 1.2 RTU 6.2 RT/Power-Unix CS/SX DG/UX 5.4 R3.10 EPX 1.4 AUX... Public Domain/Shareware/OSS Linux Minix FreeBSD NetBSD 20

21 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... 21