Kapitel I Betriebssysteme: Aufgaben und Überblick Betriebssysteme: VO Betriebssysteme 2

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1 Vorlesung: Betriebssysteme T. Fahringer Institut für Informatik Universität Innsbruck VO Betriebssysteme 1

2 Kapitel I Betriebssysteme: Aufgaben und Überblick VO Betriebssysteme 2

3 Rechnersystem Ein Rechensystem besteht aus: Anwendungssoftware: zur Lösung bestimmter Probleme, z.b.: Textverarbeitung, Adressbuch, Datenbank,. WWW-Browser, Spiele, Wettervorhersage, CAD, Steuerung eines Kraftwerks, Systemsoftware: unterstützt Anwendungen, z.b.: Übersetzer: erstellt Maschinenprogramme Betriebssystem: unterstützt laufende Anwendungen Dateimanager (z.b. Windows-Explorer), Hardware

4 Rechnersystem Einordnung des Betriebssystems

5 Was soll ein Betriebssystem leisten? Erweiterung (Veredelung) der Hardware Abstraktion der Hardware Verwaltung von Betriebsmitteln Abkürzung: BS = Betriebssystem

6 Aufgaben eines Betriebssystems Erweiterung/Veredelung g der HW Hardware muss billig, schnell und zuverlässig sein umfangreiche Funktionalität, sehr komplex Folge: schwierige Programmierung BS stellt komplexe Funktionen bereit, die von Anwendungen verwenden werden Beispiel: Schreiben auf Festplatte BS findet automatisch freie Sektoren auf der Platte, legt Verwaltungsinformation an interne Struktur der Platte (Anzahl der Köpfe, Zylinder, Sektoren, etc.) für Anwendung nicht mehr wichtig Folge: erhebliche Vereinfachung der Programmierung

7 Aufgaben eines Betriebssystems Abstraktion der HW Rechner sind trotz ähnlicher Architektur im Detail sehr unterschiedlich, z.b.: Einteilung des Adressraums (Speicher, E/A-Controller) verschiedenste E/A-Controller und Geräte Fallunterscheidung wird vom BS vorgenommen BS realisiert einheitliche Sicht für Anwendungen Beispiel: Dateien abstrahieren Sekundärspeicher für Anwendungen kein Unterschied zwischen Festplatte, Diskette, CD-ROM, USB-Stick, Stick, Netzlaufwerk, Unix: selbst Drucker etc. werden wie Dateien behandelt BS realisiert eine virtuelle Maschine

8 Aufgaben eines Betriebssystems Verwalten von Betriebsmitteln Betriebsmittel (Ressourcen): alles was eine Anwendung zur Ausführung braucht Prozessor, Speicher, Geräte (Festplatte, Netzwerk, ) Früher: auf einem Rechner lief zu jedem Zeitpunkt nur eine Anwendung eines Benutzers Heute: Rechner im Mehrprozess- und Mehrbenutzer- betrieb Mehrere Anwendungen verschiedener Benutzer werden gleichzeitig ausgeführt Notwendig: Fairness: gerechte Verteilung der Betriebsmittel Sicherheit: Schutz der Anwendungen und Benutzer voreinander VO Betriebs ssysteme 8

9 Aufgaben eines Betriebssystems Verwalten von Betriebsmitteln Beispiel: Dateien jeder Datei werden Rechte zugeordnet legen z.b. fest, wer die Datei lesen darf BS stellt die Einhaltung dieser Rechte sicher unbefugter Zugriff wird verweigert Beispiel: Drucker während Max druckt, will auch Moritz drucken aber nicht auf dasselbe Blatt Papier 9p BS regelt den Zugriff auf den Drucker der Auftrag von Moritz wird zurückgestellt, bis der von Max beendet ist VO Betriebs ssysteme

10 Aufgaben eines Betriebssystems Mittler zwischen Anwendung und HW g Essentiell: Anwendungen können nicht direkt (d.h. unkontrolliert) auf die Hardware zugreifen Unterstützende Hardware-Mechanismen: Ausführungsmodi des Prozessors (System- und Benutzermodus) Systemaufrufe, Ausnahmen, Unterbrechungen Adressumsetzung (virtueller Speicher)

11 Entwicklung der Betriebssysteme 1. Generation (-1955): kein Betriebssystem Programm (jedes mal) manuell in den Speicher eingeben 2. Generation (-1965): Stapelverarbeitung Lochkarten mit Programmcode (z.b. Assembler, Fortran) BS startet Übersetzer und Programm BS nimmt Ergebnis entgegen, gibt es auf Drucker aus später: auch mehrere Programme (Jobs) nacheinander (auf Magnetband): Stapelbetrieb (batch batch) Stapelbetrieb auch heute noch teilweise sinnvoll lange, nicht-interaktive interaktive Jobs (z.b. Monatsabrechnungen)

12 Stapelverarbeitung Ein Batch-System aus den Anfängen des Computerzeitalters 6Ein VO Betriebs ssysteme 1

13 Entwicklung der Betriebssysteme 3. Generation (-1980): Rechnerfamilien mit gleichem Befehlssatz (z.b. IBM 360) BS abstrahiert Unterschiede der Rechner / Geräte Einführung des Mehrprogrammbetriebs CPU wartet oft (bis zu 90% der Zeit) auf Geräte: Verschwendung! besser: statt zu warten wird ein anderer Job bearbeitet Problem: Verwaltung / Zuteilung der Betriebsmittel Gleichzeitig: interaktive Nutzung der Rechner Terminals statt Lochkarten und Drucker mehrere Benutzer gleichzeitig aktiv gegenseitiger Schutz erforderlich

14 Mehrprogrammbetriebssysteme 1 9 VO Betriebs ssysteme 3 Jobs im Speicher: Scheduling möglich

15 Entwicklung der Betriebssysteme 4. Generation ( heute): Einführung von Mikroprozessoren kleine, billige Rechner: Arbeitsplatzrechner zurück ükzu Eib Einbenutzersystemen t (DOSWid (DOS, Windows) Zunehmende Vernetzung der Rechner Client/Server-Systeme: wieder mehrere Benutzer Unix, Linux, Windows, NT, Trend / Zukunft: verteilte Betriebssysteme mehrere Rechner erscheinen wie ein einziger i Ziele: höhere Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit

16 Betriebssystemarten Mainframe-BS schnelle E/A, viele Prozesse, Transaktionen Server-BS viele Benutzer gleichzeitig, Netzwerkanbindung Multiprozessor-BS für Parallelrechner PC-BS Echtzeit-BS 2 BS für eingebettete Systeme BS für Chipkarten BS für Spielkonsolen, Handys, PDAs, etc. VO Betriebs ssysteme 2

17 Strukturen von Betriebssystemen Monolithische Betriebssysteme Alle BS Komponenten befinden sich im selben Adressraum ohne Schutzmechanismus. Strukturierung nur durch Prozeduren z.b. Hauptfunktion, Serviceprozedur für jeden Systemaufruf, Hilfsfunktionen alle Prozeduren im selben Adressraum jede Prozedur kann (prinzipiell) jede andere aufrufen Probleme: Sicherheit, Software-Engineering BSe haben z.t. mehrere 10 Millionen Zeilen Code! Vorteil: keine Kontextwechsel

18 Strukturen von Betriebssystemen Geschichtete Betriebssysteme Hierarchische Strukturierung der Funktionen Interaktion nur zwischen benachbarten Schichten Ggf. auch Schutz der Schichten möglich untere Schichten höher privilegiert als obere Übergang zwischen Schichten nur über Systemaufrufe Beispiel: Multics

19 Strukturen von Betriebssystemen Geschichtete Betriebssysteme Beispiel für ein geschichtetes BS

20 Strukturen von Betriebssystemen BSe basierend auf einer Mikrokernarchitektur Idee: BS-Kern stellt nur Minimalfunktionalität bereit andere Dienste werden in Clientprozesse (bzw. Threads) ausgelagert Ausführung im Benutzermodus Client-Server-Modell Client und Serverprozesse im Benutzermodus Mikrokern realisiert typischerweise Prozesswechsel maschinennahe Speicherverwaltung Basis-Interprozesskommunikation Verwaltung von E/A-Adressen Adressen und Interrupts

21 Strukturen von Betriebssystemen BSe basierend auf einer Mikrokernarchitektur Beispiel für ein Mikrokern-System

22 Strukturen von Betriebssystemen BSe basierend auf einer Mikrokernarchitektur Vorteile der Mikrokern-Architektur Einheitliche Schnittstellen für Dienste auf Benutzer- und Kernebene Erweiterbarkeit durch neue Dienste Flexibilität Baukasten von Diensten Portierbarkeit prozessorspezifischer Code (fast) nur im Mikrokern Zuverlässigkeit it Unterstützung verteilter Systeme Nachteile der Mikrokern-Architekturk k viele Kontextwechsel und Kommunikation

23 Organisation von Betriebssystemen Ein Betriebssystem besteht häufig aus folgenden Komponenten: Prozessmanagement Hauptspeichermanagement t Sekundärspeichermanagement Netzwerkmanagement 2g Schutzmechanismus Kommando-Interpreter-System VO Betriebs ssysteme 9

24 Organisation von Betriebssystemen Prozessmanagement Programm ist passive Einheit (z.b. Sequenz von Bytes). Ein Prozess ist ein Programm, das von einem Prozessor exekutiert wird. Die Exekution der Befehle erfolgt sequentiell oder parallel. Programme benötigen Ressourcen, die vom BS zugeteilt werden. Betriebssystem erzeugt/löscht Prozesse. legt Prozesse in Warteschlange. unterstützt Synchronisation von Prozessen. ermöglicht Kommunikation zwischen Prozessen. VO Betriebs ssysteme 3 0

25 Organisation von Betriebssystemen Hauptspeichermanagement p Programme und Daten befinden sich im Hauptspeicher (primärer Speicher). Programme müssen sich vor der Ausführung im Hauptspeicher befinden. Hauptspeicher wird vom Prozessor und Input/Output Devices geteilt. Betriebssystem: vergibt Hauptspeicher an Prozesse. überwacht, welche Teile des Hauptspeichers p vergeben/frei sind. kontrolliert, welche Prozesse von der Platte in den Hauptspeicher geladen werden. VO Betriebs ssysteme 3 1

26 Organisation von Betriebssystemen Dateiverwaltung Daten können in verschiedenen Speichern abgelegt werden: Hauptspeicher, magnetische Platte, magnetisches Band, optische Platte usw. Jedes Speichermedium wird von speziellem Device Controller kontrolliert. BS bildet physikalischen Speicher auf logische Einheiten ab: File. File Einheit zur Speicherung von Daten besteht aus Sequenz von Bits, Bytes, Zeilen, Records usw. Persistente Speicherung: besteht über das Ende von Anwendungen hinaus Betriebssystem: stellt Befehle für das Manipulieren von Files zur Verfügung. kontrolliert die Abbildung von Files auf sekundären Speicher. ermöglicht Sicherungskopien von Files. VO Betriebs ssysteme 2 3

27 Organisation von Betriebssystemen Sekundärspeichermanagement Hauptspeicher zu klein für alle Programme. Bei Stromversorgungsproblemen gehen alle Daten des Hauptspeichers verloren. Benötige Sekundärspeicher (z.b. Plattenspeicher), der alle Programme bzw. wichtigen Daten dauerhaft speichert. Programme werden von Sekundärspeicher erst in den Hauptspeicher geladen, wenn diese exekutiert werden. Betriebssystem: vergibt Sekundärspeicher. gibt Sekundärspeicher frei. VO Betriebs ssysteme 3 3

28 Organisation von Betriebssystemen Netzwerkmanagement Bei verteilten Architekturen gibt es n Rechner mit privatem Speicher. Rechner kommunizieren über ein Netzwerk. Netzwerk kann vollständig oder partiell konfiguriert sein. Betriebsystem ermöglicht Zugriff auf alle Ressourcen, die über ein Netzwerk verbunden sind. VO Betriebs ssysteme 3 4

29 Organisation von Betriebssystemen Schutzmechanismus Parallel exekutierende Prozesse müssen geschützt werden. Prozess darf nicht auf Daten eines anderen Prozesses zugreifen. keine unerlaubte Trennung eines Prozesses vom Prozessor durch andere Prozesse HW-Schutzmechanismen kontrollieren den Zugriff von Prozessen auf Ressourcen. VO Betriebs ssysteme 3 5

30 Organisation von Betriebssystemen Kommando-Interpreter-System (Shell) Schnittstelle zwischen Benutzer und BS. Zugang zur Systemsoftware durch den Benutzer graphische Shell (z.b. Windows-Oberfläche) intuitiver iti Zugang für ungeübte Benutzer er textuelle Shell (z.b. Unix sh, bash; DOS-shell in Windows) komplexer, aber einfache Automatisierung durch Shell Scripts Teil des Betriebssystems, das BS-Befehle Befehle exekutiert. Login. Starten eines neuen Prozesses. Statusabfrage von allen Prozessen, etc. VO Betriebs ssysteme 6 3

31 Organisation von Betriebssystemen Kommando-Interpreter-System (Shell) Shell bekommt jeden Befehl an BS und exekutiert diesen. Prozesse erzeugen/terminieren Input/Output Management Management des Sekundärspeichers Hauptspeichermanagement File-Zugriffe Schutzmechanismus Netzwerkmanagement VO Betriebs ssysteme 3 7

32 Benutzerschnittstelle: Shell Start neuer Prozesse: date Umgebungsvariablen: PATH=/bin:/usr / usr:$home/bin Eingabe- und Ausgabeumleitung: sort < file1 > file2 Standard-Eingabe aus file1 statt von Tastatur Standard-Ausgabe auf file2 statt auf Bildschirm Pipes: cat file1 file2 file3 sort lpr Ausgabe eines Prozesses dient als Eingabe des nächsten (Interprozesskommunikation Interprozesskommunikation!) Ausführung im Hintergrund: sort < file1 lpr & VO Betriebs ssysteme 8 3

33 Benutzerschnittstelle: Shell Scripts Zusätzliche Elemente: Kommandos zur Ablaufsteuerung Bedingungen, Schleifen, Prozeduren,... Beispiel: Verschieben von Dateien ohne Überschreiben for i in *.txt # für alle.txt Dateien do target=../other/$i if test f $target # falls Datei existiert then mv $target $target.bak fi mv $i $target done VO Betriebs ssysteme 3 9

34 Zusammenfassung BS stellt benutzerfreundliche Umgebung g zur Verfügung, g, um Programme zu entwickeln und auszuführen. BS verwaltet Ressourcen, um eine gute Performance und Auslastung des Systems zu erzielen. BS ist selbst ein komplexes Softwaresystem. 8 4 Evolution von Betriebssystemen: 4 Generationen VO Betriebs ssysteme