Betriebssysteme. Margarita Esponda Freie Universität Berlin WS 2011/2012

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1 Betriebssysteme Margarita Esponda Freie Universität Berlin WS 2011/2012 1

2 Betriebssysteme Heute Definition eines Betriebssystems Geschichte der Betriebssysteme 2

3 Was ist ein Betriebssystem? Heutzutage weiß jeder, was ein Betriebssystem ist. 3

4 Was ist ein Betriebssystem? Ein Betriebssystem ist der wichtigste Softwareteil eines modernen Computersystems. Ein Betriebssystem ermöglicht die grundlegende Kommunikation zwischen Hardware und Anwenderprogrammen. Es verwaltet Betriebsmittel wie Speicher, Ein- und Ausgabegeräte und steuert die Ausführung von Programmen. 4

5 Was ist ein Betriebssystem? Datenbanksysteme Spiele Internetanwendungen Textverarbeitung Tabellenkalkulationsprogramme Multimediaanwendungen Web-Browser Compiler, Editoren, Kommandointerpreter, Fenstersystem, Programmierumgebungen usw. Software zwischen der Hardware und den Anwendungsprogrammen Anwendungs- Programme System- Programme Betriebssystem Software Hardware 5

6 Warum Betriebssysteme? Betriebssysteme sollen noch effizienter laufen. Paralleles Hardware soll ausgenutzt werden. Der Energieverbrauch spielt eine immer größere Rolle. Sicherheitsprobleme sollen gelöst werden. Neue Geräte brauchen neue Betriebssysteme. Anwendungen werden besser, wenn die Vorteile der darunterliegenden Betriebssystems ausgenutzt werden. 6

7 Zwei Sichtweisen Ein Betriebssystem ist eine virtuelle Maschine, die von den Hardwaredetails abstrahiert und die Programmierung von Anwendungen dadurch erleichtert. - macht Software portabel Ein Betriebssystem ist ein Ressourcen-Manager, der eine kontrollierte Zuteilung von Prozessoren, Rechenzeit, Speicher und Ein-Ausgabegeräten realisiert. - Zeit und Raum Zuteilung - bietet Schutz - macht endliche Hardware virtuell unendlich 7

8 Betriebssysteme Heute Definition eines Betriebssystems Geschichte der Betriebssysteme 8

9 Die mobile Revolution Fünfziger Jahre Sechziger Jahre Siebziger Jahre Achtziger Jahre Neunziger Jahre Erstes Jahrzehnt Steinzeit der Computer Mainframes (Tausende) Minicomputer PCs (Millionen) Vernetzte PCs Eingebettete und mobile Rechner (Milliarden) 9

10 Betriebssysteme Entwicklung Zeit Hardware Betriebssoftware Röhren Lader Transistor Stapelsysteme Bänder, Trommeln Hochintegration Teilnehmersysteme LSI Large Scale Integration Platten Datenbanksysteme Rechnernetze Dateisysteme, virtueller Speicher VLSI Personal Computing Fenstersysteme Schnelle Netze Verteilte Betriebssysteme Client/Server-Systeme Mobile Rechner Betriebssysteme für Mobile und Eingebettete Systeme Mobile und Eingebettete Systeme mit Multimedia-Anwendungen 10

11 Betriebssysteme ( ) Die ersten Computer hatten kein Betriebssystem Kein Programm im heutigen Sinn Steckkarten Elektronenröhren 11

12 Das erste Betriebssystem 1953 EDVAC Electronic Discrete Variable Computer 1024 Speicherworte Aufgaben des Betriebssystems: Die Ausführung des Programms zu verfolgen. Unterprogramme wieder zu laden. Dezimalzahlen in Binärzahlen zu verwandeln. Selbstüberschreibung von Teilen, die nicht mehr benötigt werden. Assembler Programme zu korrigieren. Assembler Programme zu kompaktieren. 12

13 Betriebssysteme ( ) Programmlader 1954 UNIVAC 1103 Lochkarten MIT's operating system 1955 IBM 701 General Motors OS in

14 Betriebssysteme ( ) Die erste Computergeneration besaß nur einen Programmlader Der Programmlader wurde nach Einschalten des Rechners geladen. Der Programmlader las ein Programm, führte es aus und schrieb das Ergebnis auf. Dann wurde das nächste Programm geladen. Programmlader nur ein Programm im Speicher 14

15 Betriebssysteme ( ) Transistor Mainframes Stapelsystem 1961 MIT CTSS Compatible Time-Sharing System Timesharing-Betriebssystem 15

16 Fortran C EINLESEN DER DATEN READ (5,*,END=92) N,M WRITE (6,*) 'ORDNUNG ', N WRITE (6,*) 'BANDBREITE ', M IF (N.GT.NMAX) GOTO 91 IF (M.GT.MMAX) GOTO 91 Betriebssysteme ( ) Stapelsystem Ein einfaches Betriebssystem las einen Job, führte ihn aus und schrieb das Ergebnis auf ein zweites Band Überlappung von Lesen Verarbeiten Drucken Tannenbaum 16

17 Betriebssysteme 1961 MIT First Timesharing System CTSS Compatible Time-Sharing System Demo-Version mit nur 3 Benutzern Crisman, Interactive computing Durchbruch in der Softwareentwicklung 17

18 Betriebssysteme ( ) LSI-Schaltungen (Large Scale Integration) Mainframes Minicomputers IBM UNIVAC Burroughs Beispiel: PDP-1 bis PDP-11 Betriebssysteme Multiprogramming Timesharing Assembler Sehr teuer! Betriebssysteme Multics C Unix BSD (Berkeley Software Distribution) Timesharing 18

19 Betriebssysteme ( ) Multiprogramming Programm 1 Timesharing Teilnehmerbetrieb Speicher Programm 2 Programm 3 Speicher CPU Betriebssystem 19

20 Betriebssysteme ( ) Timesharing Ein/Aus-Routinen Monitor Batch-Job 1 Batch-Job 2 Job 1 Job 2 Job 3 20

21 Erste Betriebssysteme Multiprogramming Timesharing Probleme nur ein Programm Schwache Nutzung des Hardwares Kein Schutz vor fehlerhaften Programmen Hardware wird besser benutzt. Ein weiteres Programm wird gestartet, wenn das laufende Programm auf Ein/Ausgabe wartet. Probleme Endlosschleifen Speicherschutz Preemption Speicherschutz Probleme Komplexität Entwicklungskosten 21

22 Betriebssysteme ( ) Die Entwicklung des Betriebssystems verwandelte sich in einen Alptraum? IBM Beispiel - OS/360 Multiprogramming-System - 60 Top-Programmierer - Erste Verspätung bis Top-Programmierer - Zweite Verspätung bis am Ende arbeiteten mehr als 1000 Leute in der Entwicklung. - $ (geplant waren nur $ ) - viele Fehler! 22

23 IBM Beispiel Betriebssysteme ( ) 23

24 Betriebssysteme ( ) Hardware ist ständig billiger geworden VLSI-Schaltungen Minicomputers Unix, System V, BSD-Unix, POSIX Betriebssysteme Höhere Modularität Höhere Portabilität nur der Kernel in Assembler programmiert, der Rest in C nur ein C-Compiler ist nötig mit Unix entstehen viele neue Hardwarefirmen Mikrocomputers CP/M IBM PC DOS KB Disk Operating System XENIX Control Program for Microcomputers MS-DOS Einbenutzersystem Ein Programm 24

25 UNIX MULTICS UNICS Bell Labs, MIT und General Electric Ken Thompson abgespeckte Version von MULTICS Das UNIX-Betriebssystem entsteht nach dem Prinzip der Einfachheit "simple is beautiful" Dennis Richie C Ken Thompson PDP-11 UNIX 8200 Zeilen C-Code 900 Zeilen Assembler-Code 25

26 Betriebssysteme ( ) VLSI Mikrocomputers GUI Graphical User Interface Fenstersysteme 1981 Xerox Star Apple s Macintosh 1984 Windows Daraufgesetzte graphische Oberfläche Windows 95 Netzwerkbetriebssysteme Verteilte Systeme 26

27 Betriebssysteme (1991) von Tanenbaum für Linux Torvalds schrieb: Lernzwecke entwickelt... Hello everybody out there using minix I m doing a (free) operating system (just a hobby, won t be big and professional like gnu) for 386(486) AT clones Linux auf Intel 386 beschränkt Linux Version Zeilen Code 1996 Linux Version Zeilen Code 27

28 Betriebssysteme ( ) Mikrocomputers Windows 2000 ca. 40 Millionen Quellcode Linien SLOCs?? Insgesamt 5,245 Mitarbeiter Entwickler 1,800 Tester Microsoft: "the largest concerted software project in human history" Windows Vista Linux Debian 2.2 ca. 50 Millionen Quellcode Linien SLOCs ca. 59 Millionen SLOCs Linux+GNU Linux Debian 3.0 (2002) ca. 105 Millionen SLOCs Linux+GNU Linux Debian 4.0 Mac OS X 10,4 ca. 283 Millionen SLOCs Linux+GNU ca. 86 Millionen SLOCs Darwin+Systemsoftware 28

29 Donald Knuth sagt: Betriebssysteme "An elephant is a mouse with an operating system. + Betriebssystem = 29

30 Betriebssysteme ( ) Serverbetriebssysteme Windows NT... Windows Server 2011 AppelShare.. MacOS X Server (basiert auf BSD Unix) Red Hat Enterprise Linux 6 freebsd Devian GNU/Linux Ressourcen Fehlertoleranz Nebenläufigkeit Netzsicherheit 30

31 Tablet PCs Betriebssysteme ( ) Mobile Rechner Ultra Mobile PCs 2007 Mobile PCs 100 Millionen Windows Vista Linux Windows XP Tablet PC Edition Milliarden RMI BlackBerry Windows Mobile % Markt Mac OS auf iphone Palm OS Garnet OS Acces Linus Symbian "Belle" Marktführer 190 Millionen Geräte mit Android bis Oktober

32 Faktoren für eine höhere Nutzbarkeit von mobilen Geräten Tragbar klein und leicht Lange Betriebsdauer sehr energiesparsam Kommunikation Echtzeitfähig sehr effiziente Signalverarbeitung Bandbreite 32

33 DSP Digital Signal Processors DSP Prozessoren sind zu mobilen Geräten wie General Purpose Processors (GPP) zu Desktops GPU Graphics Processing Unit Mehr als 96% der heutigen Prozessoren sind DSP und eingebettete Prozessoren 33

34 Genes Gesetz: Immer weniger Energie pro MIPS Gene

35 GPP Architektur vs. DSP Große Bandbreite Programm Speicher Programm + Daten Speicher GPP Daten Speicher Daten Speicher DSP Daten Speicher 35

36 Lange Betriebsdauer Parallele Architekturen Die Energie ist proportional zum Quadrat der Spannung V, der Kapazität C und der Frequenz F CMOS Energie ~ C V 2 F ½ V Energie ~ ¼ C V 2 F Energie ~ 1 ½ F 8 C V 2 F ½ Performance verdopple die Anzahl der Arithmetischen Einheiten Ein Viertel der Energie ohne Performanceverlust 36

37 Texas Instruments TMS320C55x Harvard Architektur Program Data Read Data Read Data Read Data Write Data Write CPU Instruction Buffer Program Flow Address Data Flow Data Computation 37

38 Mehrfache Arithmetische Einheiten + Spezialisierte Instruktionen acc = acc + a*b DSP GPP mac x0,y0,a x:(r0)+,x0 y:(r4)+,y0 mpy r2, r3, r4 Add r4, r5, r5 CISC mov mov (r0), r2 (r1), r3 RISC inc r0 inc r1 38

39 Mehrfache Arithmetische Einheiten (MACs, ALU, Shifter) Program Data Read Data Read Data Read Data Write Data Write CPU Instruction Buffer Program Flow Address Data Flow Data Computation Data Computation Unit 39

40 Variable Befehlslänge für höheren Durchsatz Programm Kompression durch Compiler Programm Speicher Dekompression Very Long Instruction Word CPU 40

41 Mobile Geräte Mobile Geräte der neuen Generation integrieren verschiedene Datendienste. Prozessoren für diese Geräte besitzen eine hybride Architektur. Das Grundproblem ist und bleibt der Energieverbrauch. Hardware-Architektur-Design geht Hand in Hand mit der Software-Entwicklung (Software-Hardware-Synergie). Betriebssysteme müssen Energie-Management haben. 41

42 Betriebssysteme ( ) Eingebettete Betriebssysteme Es gibt weit mehr als 100 Betriebssysteme für eingebettete Systeme, wie Handys, Kameras, Automobile, Hausgeräte oder Industrieautomaten. VxWorks Windows CE Echtzeitbetriebssysteme für mobile Endgeräte Windows XP Embedded Embedded Linux Nucleus OS QNX Neutrino RTOS Embedded Linux 42

43 Betriebssysteme ( ) Eingebettete Betriebssysteme Smart Card COS Chipcard Operating System ACOS Austria Card ACOS / ACOS2 Advanced Card Systems Basic Card Zeitcontrol CARDOS Siemens DKCCOS Safenet (Datakey) GPK Gemplus Java Card Java Card Forum Micardo ORGA MULTOS Maosco SETCOS SETEC (Finnland) SiCrypt Infineon STARCOS / SECCOS G & D TCOS Telesec 43

44 Moderne Rechensysteme Verschiedene Parallelisierungsformen Beispiel: Mehrere komplette Prozessoren auf einem Chip Koprozessoren Parallele Funktionseinheiten Hardware-Multithreading Teilwort-Parallelität (SIMD) Überlappte Ausführung (pipelining) Hauptgrund: Die Verarbeitung von Multimediadaten 44

45 Betriebssysteme Echtzeit- Eingebettete- Chipkarten- Multimedia- PDA- Betriebssysteme Supercomputer- Server- Multiprozessor- PC- 45

46 Typische Struktur eines Betriebssystems Schnittstelle zum Kernel Schnittstelle zur Hardware Programme Kommandozeileninterpreter, Sprachübersetzer, Systembibliotheken System-API Systemaufrufe Prozess-, Ressourcen-Verwaltung Dateisystem Treiber... HAL Schnittstelle zur Hardware Hardware Bibliotheken Benutzer- Ebene Kernel- Ebene 46

47 Grundfunktionalität von Betriebssystemen Prozessverwaltung Erzeugen, Starten, Anhalten und Löschen von Prozessen Zuweisung von Ressourcen zu Prozessen Schutz von Prozessen, durch Isolierung Kommunikation zwischen Prozessen Geräteverwaltung Steuerung der Geräte (Driver) Abstraktion von Hardwaredetails Schnittstelle für höhere Schichten Speicherverwaltung Verwaltung des Hauptspeichers und des virtuellen Speichers Teilung und Schutz von Speicherbereichen Dateiverwaltung und Objektverwaltung Netzkommunikation Energieverwaltung 47

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