Softwarestrukturen. Anwendungssoftware: Löst ein spezielles Problem. Systemsoftware: Unterstützt die Erstellung von Anwendungssoftware.

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1 Softwarestrukturen Anwendungssoftware: Löst ein spezielles Problem. Systemsoftware: Unterstützt die Erstellung von Anwendungssoftware. Betriebssystem: Der hardwarenahe Teil der Systemsoftware. Das Betriebssystem stellt die unabdingbaren Funktionen zur Verfügung, die für einen sinnvollen Betrieb des Rechnersystems erforderlich sind. Es ist schwierig, das Betriebssystem innerhalb der Systemsoftware abzugrenzen.

2 Literatur Silberschatz und Galvin Operating System Concepts 5. Auflage Addison-Wesley Gary Nutt Operating Systems A Modern Perspecktive Addison-Wesley Rüdiger Brause Betriebssysteme: Grundlagen und Konzepte Springer David Solomon Inside Microsoft Windows NT Microsoft Press Tannenbaum Moderne Betriebssysteme Hanser Verlag Alle Bücher sind umfangreicher als der in der Vorlesung gebrachte Stoff. Jürgen Nehmer, Peter Sturm Systemsoftware - Grundlagen moderner Betriebssysteme dpunkt.verlag

3 Begriff: Mehrprogrammbetrieb Begriff: Prozess Mehrere Programme sind aktiviert. Ein aktiviertes Programm wird als Prozess (oder mit leicht veränderter Bedeutung als Task) bezeichnet. Sichtbar machen: Taskmanager (Aufruf über Strg-Alt-Entf ), aktivierte Anwendungen werde auch in der Taskleiste angezeigt

4 Begriff: Betriebsmittel(= Resource) Ein Betriebssystem teilt einem Prozess die benötigten Betriebsmittel zu, entzieht die Betriebsmittel, regelt eine gleichzeitige Nutzung eines Betriebsmittels durch mehrere Prozesse. z.b.: Das Betriebssystem verwaltet alle Hardwarekomponenten und stellt sie den Prozessen zur Verfügung. Hardwarekomponenten gehören zu den Betriebsmitteln, die eine Anwendung zu ihrem Ablauf benötigt. Weitere Beispiele für Betriebsmittel: Speicherplatz, CPU-Zeit, Dateien

5 Abstraktion der Betriebsmittel Analog zu der allgemeinen Softwareentwicklung: Man stellt für die Nutzung des Betriebsmittels eine Menge von Funktionen zur Verfügung. Diese Funktionen sollten alle Details, die zur gewünschten Nutzung nicht benötigt werden, verbergen. Beispiel: Adressierung eines Speicherfeldes auf einem Platten-(Disk-)Speicher Ein Feld wird über einen dreidimensionalen Wert adressiert: Zylinder, Spur, Sektor Eine Funktion zum Scheiben von Daten könnte so aussehen: out (Daten, Zyl, Spur, Sekt); Einfacher wäre: Man numeriert alle Sektoren durch und hat als Funktion out (Daten, Sekt); Diese Umrechnung geschieht heute bereits im Plattencontroller (LBA). Welche Funktionen stehen einem Programmierer einer Anwendung zur Verfügung? fstream ausdatei; ausdatei.open( meine Datei, ios::out...); ausdatei.write((char *)pufferfeld, sizeof pufferfeld);

6 Ein zweiter Aspekt der Abstraktion: Man fasst Betriebsmittel, die sich ähnlich sind, zu Betriebsmittelklassen zusammen und versucht, für die ganze Klasse einheitliche Funktionen zur Verfügung zu stellen. Vorteil: In den Programmen muß man sich z.b. nicht vorab auf ein spezielles Gerät festlegen. z.b. Eine Videoverwaltung bezieht sich auf eine Datenbankdatei, das Programm muss nicht geändert werden, wenn die Datei statt auf einer Festplatte auf einer Diskette oder einer CD gespeichert ist. Gesteuert über den Laufwerksbuchstaben (Argument beim Öffnen der Datei) wird vom Betriebssystem in einer hardwarenahen Schicht die richtige Funktion aufgerufen.

7 Anwendung Schnittstelle Anwendungsprogrammierung (API) Resource- Abstraktion andere Sytemsoftware Betriebssystemschnittstelle Resource- Betriebssystem Sharing Software-Hardwareschnittstelle Hardware

8 Resource = Betriebsmittel Beispiel für Resource Abstraction: Dateien, Datei-API der Programmiersprachen

9 Geteilte Nutzung von Betriebsmitteln (Resource Sharing) Ein abstraktes oder physikalisches Betriebsmittel kann von mehreren gleichzeitig laufenden Prozessen genutzt werden. Wir sprechen dann von einer geteilten Nutzung. Zwei Möglichkeiten: Raummultiplex Zeitmultiplex Raummultiplex: Das Betriebsmittel läßt sich in mehrere Einheiten aufteilen. Ein Prozeß bekommt eine solche Einheit zugewiesen. Beispiel: Speicherplatz Zeitmultiplex: Zuweisung des kompletten Betriebsmittels für kurze Zeitintervalle. Beispiel: CPU Bei mehreren Prozessen: Zeitmultiplex der CPU und Raummultiplex des Speichers

10 Weiteres Beispiel für Resource Sharing: Dateisystem des Betriebssystems, Verwaltung der Dateien, Verwaltung des Speicherplatzes auf der Platte

11 Verschiedene Ausprägungen von Betriebssystemen Historische gesteuerte Entwicklung, vorgegeben durch die zur Verfügung stehende Hardware. Betriebssystem besitzen ein großes "Beharrungsvermögen". Frühe Systeme Die ersten Rechner waren große teure Geräte mit einfachen I/O-Geräten. Der Ablauf der Programme wurde per Schalter über eine Bedienkonsole gesteuert. Für die Programmierung waren umfangreiche Kenntnisse der Hardware erforderlich. In der Folgezeit versuchte man durch Entwicklung von wiederverwendbaren Gerätetreibern und der Entwicklung von Compilern die Produktivität der Computer zu erhöhen. Ein Handicap für diese Bestrebungen war der teure Hauptspeicher und oft nicht vorhandene externe Speichermedien, abgesehen von Lochkarten und Lochstreifen. Beispiel: IBM 7094, IBM 1401, Betriebssystem für 7094 FMS (Fortran Monitor System)

12 Einfache Batchsysteme Eine erste stabile Phase in der Entwicklung stellten die Batchsysteme dar. Das sind Systeme, bei denen die zu bearbeitenden Jobs außerhalb des Rechners erstellt und vorbereitet wurden. Diese Jobs wurden dann nacheinander, auch als Job-Stapel zusammengefasst, eingelesen und abgearbeitet. Residenter Monitor Die Jobs wurden mit einer Job-Steuersprache (JCL) beschrieben und i.a. auf Lochkarten abgefaßt. Heute: im OS390 noch vorhanden. Im PC-Bereich: *.BAT Dateien Folge der Karten: Jobanfang Kommando für den Compileraufruf Quellprogramm Anweisung für das Laden des übersetzten Programms Anweisung für die Ausführung des geladenen Programms Daten für die Standardeingabe des Programms Jobende

13 Zur Steuerung der Jobverarbeitung wurde ein Monitorprogramm erstellt. Dieser Monitor bestand aus den Teilen: Lader (zum Laden der Programme), Bearbeiter der Jobfolge (job sequencing, zur automatisierten Bearbeitung der Jobfolge) und dem Interpreter für die Kommando-Anweisungen. Zur Veranschaulichung hier die Speicheraufteilung dieser Systeme: Lader Monitor Job sequencing Interpreter Anwendungsprogramm

14 Mainframes (Großrechner) Seit 1965 auf dem Markt. IBM System/360 Betriebssystem OS/360 Seit 1970: System /370 Weiterentwicklungen bis heute auf dem Markt Kompatible Systeme von anderen Firmen entwickelt. Heute OS/390. Einsatz: große, unternehmenskritische Anwendungen, sichere (Groß-)Server (Viren unbekannt)

15 Grundstruktur des OS/360 Konzeption als Batch-System mit Mehrprogrammbetrieb, Eingabe- und Druckmanager (als SPOOLing bezeichnet) Betriebssystem Job 1 Job 2 Speicheraufteilung Job 3 Job 4

16 Time-Sharing Systeme, Dialog-orientiertes oder interaktives System Während beim Batch der Jobablauf programmgesteuert abläuft, geschieht dies beim Time-Sharing-Betrieb interaktiv. Ein Time-Sharing-Betrieb setzt einen Mehrprogrammbetrieb voraus. Monitor Nutzer 1 Terminal 1 Nutzer 2 Nutzer 3 Terminal 2 Nutzer 4 Terminal 3 Terminal 4 Die Terminals stellen die Standard-I/O dar. Eine Druckausgabe wird über SPOOLING auf den Drucker geleitet. Jeder Nutzer hat über sein Terminal das Gefühl, über einen eingenen Rechner zu verfügen. Der Begriff "Time- Sharing" kommt daher, daß die CPU-Zeit reihum auf die einzelnen Nutzer verteilt wird. Um einen entsprechenden Durchsatz zu erreichen, musste eine große Zahl an Terminals installiert werden. Damit bekam man schnell Schwierigkeiten mit dem Speicherplatz. Durch Einführung neuer Speichertechniken unter Einbeziehung der Direktzugriffspeicher konnte man diese Schwierigkeit überwinden. Zu erwähnen sind in diesem Zusammenhang das Swapping und die virtuelle Speicherverwaltung. Beim Swapping wird ein Nutzeradressraum kurzzeitig auf den Plattenspeicher ausgelagert. Die virtuelle Speicherung verfährt ähnlich, jedoch werden hier nur Teile des Adressraum ausgelagert

17 Bei großen Systemen wurde ein Batchbetriebssystem mit einem Time-Sharing-Subsystem erweitert. IBM's OS/360 TSO ist ein Beispiel dafür. OS/360 Swap TS-Nutzer 1 TS-Nutzer 2 Time-Sharing TSO Job 1... Job n Swap-Bereich auf dem Plattenspeicher Der Time-Sharing-Bereich teilt sich die CPU-Zeit mit den n Batchjobs. Diese TS-Zeiten werden reihum an die TS-Nutzer vergeben. Dabei muß vorher jeweils der Adreßraum des Vorgängers ausgelagert und der eigene Adreßraum eingelagert werden. Mehrprogrammbetrieb und Time-Sharing sind zentrale Themen der modernen Betriebssysteme. Im Laufe der Vorlesung wird diese Thematik noch ausführlich zu behandeln sein. Ab Mitte der 60er Jahre wurden Time-Sharing-Systeme entwickelt. Ende der 60 er Jahre wurde am MIT das Betriebssystem MULTICS als Gegenstück zu dem unbefriedigenden OS/360-TSO. Das System war zu komplex und nicht effizient genug.

18 Minirechner Parallel zu den Mainframes wurden Minirechner entwickelt. Beispiele: PDP-Serie der Firma DEC DEC war in den 70 er Jahren der zweitgrößte Computer-Konzern (nach IBM). Nixdorf-Computer der mittleren Datentechnik Einer der Entwickler von MULTICS (gesprochen: maltix) entwickelte für den Computer PDP-7 ein Time-Sharing Betriebssystem mit dem Namen UNIX (ein abgespecktes MULTICS). UNIX war eine Art Public Domain-Software und wurde von amerikanischen Universitäten weiter entwickelt. Die Minirechner verschwanden nach dem Siegeszug der PC s vom Markt.

19 Personal-Computer Systeme Bedingt durch die Fortschritte bei der Entwicklung integrierter Schaltungen (Chips) wurden in den 70'er Jahren die Mikrocomputer entwickelt. Als nachträglich entscheidender Schritt stellte sich heraus, daß IBM sich entschloß, einen Mikrocomputer unter den Namen Personal Computer (PC) zu entwickeln und die Spezifikationen für diesen Rechner komplett offen zu legen. Das Betriebssystem entwickelte IBM nicht selbst, sondern beauftragte damit die Firma Microsoft. Dabei entstand das System MS-DOS bzw. PC-DOS und Microsoft wurde auf diesem Gebiet Marktführer. Mit den PC's wurden die Computer zum Massengeschäft. Dies schlug sich in den Preisen und in der Zahl der Softwareentwicklungen nieder. Das Kaufverhalten am Markt führte zu Standards, sowohl bei der Softweare als auch bei der Hardware. Zu diesen Standards gehörte Mitte der 80'er Jahre der PC-XT mit der Austattung 640kB Hauptspeicher, 20 MB Platte, Monochrombildschirm, 1 Diskettenlaufwerk, MS-DOS zum Preis von ca. 2500,- DM war hierfür Standard ein PC 486DX2-66Mhz mit 4 MB Speicher, 420 MB Platte, 1 Diskettenlaufwerk, MS-DOS, Windows zum Preis von ca. 2000,-DM. Der Preis blieb fast gleich, der Preisverfall bei der Hardware wurde durch eine umfangreichere Austattung kompensiert. Diese zusätzlichen Hardwareresourcen wurden jeweils durch umfangreichere Software aufgebraucht. Seitens der Betriebssysteme wurde in zweierlei Richtungen erweitert: viele Funktionen aus dem Großrechnerbereich wurden zusätzlich in die PC-Systeme integriert (z.b. virtuelle Speicherverwaltung, Multitasking, Datenbanktechniken u.a.) und die graphischen Oberflächen (GUI, Graphical User Interface).

20 Parallele Systeme Die meisten Systeme sind Einprozessor-Systeme. Besitzt ein System mehrere Prozessoren, die zusammen mit den sonstigen Einheiten sich einen Systembus teilen, so spricht man von eng gekoppelten Systemen. Die Hardware folgt hier der Prozeß- bzw. Taskstruktur der Software. Hier kann jetzt einem Prozeß ein eigener Prozessor zur Verfügung gestellt werden. Sonst müssen sich die Prozesse einen Prozessor teilen, d.h. jeder Prozeß erhält nur jeweils Zeitintervalle zur Ausführung. CPU 1 CPU 2 CPU 3 weitere Komponenten

21 Verteilte Systeme Im Gegensatz zu den parallelen Systemen spricht man hier von lose gekoppelten Systemen. Hier sind die verschiedenen Prozessoren über Rechnernetze miteinander gekoppelt. Gegenüber einem Bus haben die Netzverbindungen eine niedrigere Übertragungsrate. Daher wird man z.b. Hauptspeicherzugriffe nicht über eine Netzverbindung realisieren. Bei den verteilten Systemen ergibt sich ein Netz von relativ eigenständigen Rechnern, die sich über das Netz eine Reihe von Betriebsmitteln teilen, zb Drucker, Datenbanken, Spezial-IO. Die einzelnen Rechner können soft- und hardwaremäßig bezogen auf ihre jeweiligen Aufgaben konfiguriert werden. Weiterhin geben die Netze eine ideale Infrastruktur für die Kommunikation zwischen den Nutzern ab. Sowohl parallele als auch verteilte System müssen von speziellen Betriebssystemen unterstützt werden. Dies kann in einfachen Fällen durch einen Betriebssystemaufsatz geschehen. Für den Nutzer stellen sich diese Systeme wie das unterliegende "normale" System dar, jedoch mit einer zusätzlichen Funktionalität. Heute: Einsatz der Internettechnologie, Verteilte Systeme werden mit Client/Server-Struktur realisiert, der Client ist bevorzugt ein Internet- Browser. Der Server hat als front end einen Web-Server (z.b. Apache).

22 Echtzeit-Systeme Diese Systeme müssen innerhalb einer festgelegten Zeit auf ein bestimmtes Ereignis reagieren. Sie werden i.a. innerhalb technischer Prozesse eingesetzt, z.b. bei einer Robotersteuerung oder bei Regelungen. Erreicht wird diese Echtzeitfähigkeit i.a. über eine spezielle Hardwarestruktur und eine Modifikation vorhandener Betriebssysteme. Ein Multiuser-Betrieb - mit entsprechenden Speichertechniken wie virtueller Speicherung, Swap - ist für Echtzeitaufgaben wenig geeignet.

23 Beitrag der verschiedenen Betriebssystemtypen zu neuen Betriebssystemen Batch- Mehrprogrammsysteme TimesharingSysteme PC s und Workstations Netzwerksysteme Speicherverwaltung Speicherverwaltung Systemsoftware Client-Server- Kommunikation Schutzmechanismedienoberfläche Scheduling Graphische Be- Protokolle Scheduling Schutzmechanismen Dateien Geräteunterstützung Echtzeitsysteme CPU-Planung (Scheduling)

24 Beispiele für Betriebssysteme Mainframes: OS/390 (IBM), auch UNIX, LINUX Server-Betriebssysteme: UNIX oft Spezialversionen der Hardwarehersteller z.b. Solaris von SUN-, LINUX, Server-Versionen von Windows 2000 und XP PC-Betriebssysteme (Desktop): Windows 9x, Windows 2000, Windows ME, Windows XP, Linux, Macintosh-Betriebssystem Betriebssysteme für PDA s: PalmOS, Windows CE Echtzeitbetriebssysteme in Embedded Systemen: meist noch Eigenentwicklungen der Hardwarehersteller. Anwendungen im Kraftfahrzeug, industriellen Steuerungen, digitale Audio- und Multimedia-Systeme