Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Niederrhein, Prof. Pohle-Fröhlich, SS 2015

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1 1. Einführung Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Niederrhein, Prof. Pohle-Fröhlich, SS Inhalt der Vorlesung Ziele und Funktionen von Betriebssystemen Unix und Linux: Benutzerschnittstelle, Skript-Programmierung und Dienstprogramme Beschreibung und Steuerung von Prozessen Prozesse und Threads Nebenläufigkeit: wechselseitiger Ausschluss und Synchronisation, Verklemmung und Verhungern, Kommunikation Speicherverwaltung: Paging, Segmentierung, virtueller Speicher Scheduling-Strategien Verwaltung der Ein- und Ausgabegeräte Dateisysteme 1.2 Literatur Tanenbaum, A. S.: Moderne Betriebssysteme; Pearson Studium, Glatz, E.: Betriebssysteme, dpunkt.verlag, Ehses, E., Köhler u.a.: Betriebssysteme, Pearson Studium, Mandl, Peter: Grundkurs Betriebssysteme, Vieweg Verlag, Definition Betriebssystem Betriebssystem (DIN 44300) Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Ausführung von Programmen steuern und überwachen. Glatz: Betriebssysteme Ein Betriebssystem ist eine Menge von Programmen, welche die Ausführung von Benutzerprogrammen auf einem Rechner und den Gebrauch der vorhandenen Betriebsmittel steuern. 1.4 Aufgaben Betriebssysteme übernehmen zwei Hauptaufgaben: Betriebssystem als Ressourcenmanager effiziente Verwaltung der verschiedensten Betriebsmittel keine externe Kontrollinstanz verwendet selbst Ressourcen gibt Ressourcen vorübergehend ab hebt sich durch die Funktionalität von anderen Programmen ab leitet den Prozessor bei der Verwendung der Ressourcen und bei der Zeitzuteilung an Prozesse

2 aus W. Stalling: Betriebssysteme Betriebssystem als erweiterte Maschinen mit veredelter Hardware Virtuelle Maschine zur Verfügung stellen, deren Benutzung einfacher ist als die der realen Hardware Abstraktion von der Hardware bezüglich - Ein-/ Ausgabe * logische Ein-/ Ausgabekanäle bzw. -geräte - Speicher * Illusion eines übergroßen Speichers * Nutzung von Hintergrundspeicher - Dateisystem * organisierte Langzeitdatenhaltung * logische Platten, Partitionen - Schutz * vor anderen Benutzern * vor sich selbst - Interaktion * Konstruktion komplexer Programmketten - Programmkontrolle * Benutzerschnittstelle * Komponenten und Benutzer eines Computersystems

3 1.5 Betriebsmittel abstrakt gesehen: Objekte Hardware: z.b. * Prozessor (CPU) * Speicher * Sekundärspeicher (Harddisk, Floppy,...) * Ein-Ausgabe-Geräte (Drucker, Tastatur, Maus, Scanner,...) * Netzwerke Software: z.b. * Programme (Applikationen, Datenbanken, Compiler, Middleware, Betriebssystem) * Dateien * WEB-Seiten andere Differenzierung: einmal bzw. mehrmals benutzbar, entziehbar oder nicht entziehbar, exklusiv oder shared (gemeinsam nutzbar) 1.6 Betriebssystemarten Betriebssystem stellt eine Umgebung für Applikationen zur Verfügung. Diese Umgebung kann unterschiedlich realisiert werden, z.b. als Laufzeitsystem (Run-Time System) einer Programmiersprache (Ada, Modula-2) virtuelle Maschine zur Ausführung eines Zwischencodes (Java Virtual Machine) Basisprogramm eines Rechners (Unix, Windows) (sprachunabhängige) Programmbibliothek (Mikrokontroller-BS) Häufig finden auch Kombinationen dieser Varianten statt. 1.7 Historische Entwicklung 2. Generation ( bis 1955) Geprägt durch Röhrencomputer und der Programmierung in reiner Maschinensprache (noch kein Assembler, keine Hochsprache verfügbar), noch kein Betriebssystem Probleme: Eingabe der Programme über Lochkarte Schedulingzeit, Installationszeit 3. Generation ( ) Erste Nutzung von Transistoren, Stapelverarbeitung über recht einfaches Betriebssystem zur Steuerung der Hardware unterstützt Ein- und Ausgabe und Umwandlung von Zahl- und Zeichendarstellung, Programme wurden von Lochkarten eingelesen, (auf Magnetband übertragen), nacheinander abgearbeitet, Ergebnisse wurden auf Band gespeichert und ausgedruckt 4. Generation ( ) Kleinere Rechner durch integrierte Schaltungen, Virtualisierung: Einführung von Multitasking (Multiprogramming, Mehrprogrammbetrieb), Entwicklung von Spooling, Einführung von Timesharing (Mehrbenutzerbetrieb), Kapselung der Ein- und

4 Ausgabegeräte, virtueller Speicher, später strukturierter Systementwurf durch Nutzung höherer Programmiersprachen bei der Betriebssystemimplementation 5. Generation (1980 heute) Entwicklung von PCs, gestiegene Benutzerfreundlichkeit durch komfortable Bediensysteme (graphische Oberfläche), Erhöhung der Parallelität Aktuelle Themen Sicherheit Robustheit und Verfügbarkeit Energiemanagement (mobile Geräte) Benutzerschnittstelle Cluster- und Grid-Computing Triebfedern für die Entwicklung von Betriebssystemen Anpassung an den Stand der Technik, z.b. * Paging * Graphische Benutzeroberfläche Anpassung an die mit der technischen Entwicklung verbundenen Kostenentwicklung * Hardwarekosten * Kosten der menschlichen Arbeitskraft * teure Hardware: Maximierung der Hardwareauslastung * teure Arbeitskraft: Komfort und Unterstützung für Benutzer Neue Anforderungen neue Dienste Fehlerbehebung Modularität 1.8 Betriebssystemarchitekturen Nutzung von leistungsfähigen Universalmikroprozessoren in Desktop-PC und Servern mit Hardwareelementen wie MMU (Memory Management Unit) Privilegierungssystem Kernmodus (kernel mode, supervisor mode) mit allen Rechten für BS-Code Benutzermodus (user mode) mit eingeschränkten Rechten für Applikationscode Klassische Architektur (Monolithischer Betriebssystem-Kern) Alle Kernmodule laufen in Kernelmodus (Systemmodus) ab Dadurch klare Trennung (Schutz) zwischen Anwendung und Betriebssystem, aber kein Schutz der Kernkomponenten untereinander gesamter Kern muss vertrauenswürdig sein kompletter Betriebsmittelbereich (z.b. Dateisystem) im Kern realisiert Makrokernel typische Beispiele: MS-DOS, ältere Unix-Derivate

5 (aus P. Mandl: Grundkurs Betriebssysteme) bei Systemen mit verbessertem monolithischen Kern Einführung einer Schichtenstrukturierung z.b. bei Windows XP, neuere Unix-Derivate (aus P. Mandl: Grundkurs Betriebssysteme) Mikrokernel-Architektur Der Kernel wird dadurch entlastet, dass Funktionalität in Anwendungsprozesse, so genannte Serverprozesse im Benutzermodus (z.b. Fileserver) ausgelagert wird Prozessmanagement und -verwaltung (Scheduling, Dispatching) und Interprozesskommunikation gehören zum Kernel und laufen im Kernelmodus Vorzüge der Mikrokernel-Architektur: o Klare Kernschnittstelle begünstigt modulare Struktur o Realisierung der Dienste außerhalb des Kerns - schafft mehr Sicherheit und Stabilität, da der Kern durch fehlerhafte Dienste nicht in Mitleidenschaft gezogen wird, - verbessert die Flexibilität und Erweiterbarkeit, da Dienste beliebig hinzugefügt oder weggenommen werden können, selbst im laufenden Betrieb.

6 o Der sicherheitskritische Teil des Systems (Kern) ist relativ klein und kann daher besser verifiziert werden. o Mikrokern-Architektur erlaubt die Koexistenz mehrerer alternativer Schnittstellen zwischen Betriebssystem und Anwendungsprogrammen Nachteile der Mikrokernel-Architektur: o Mikrokernelarchitektur ist nicht sehr leistungsfähig, da das Zusammenspiel der Komponenten außerhalb des Kerns mehr Interprozesskommunikation und daher mehr Systemaufrufe erfordert Beispiel: Mach (aus Glatz: Betriebssysteme) Architektur von Unix und Windows Geschichtetes Betriebssysteme mit gekapselter Hardware-Schnittstelle Unix: klare Systemcall-Schnittstelle, die Zugang zur Kernel-Funktionalität ermöglicht Struktur spiegelt zwei klare Unix-Konzepte Dateien (files) und Prozesse über entsprechende Subsysteme wieder (real nicht ganz so eindeutige Abgrenzung) Architektur von Unix (aus Glatz: Betriebssysteme) Windows 7: Architekturmischform aus geschichteter Struktur und Mikrokernelarchitektur

7 Großteil des Systemcodes einschließlich der Treiber in gleicher Ausführungsumgebung (kein Schutz untereinander gegen Fehler) Dienste und Hilfsfunktionen in separate Prozesse ausgelagert (Schutz gegenüber Fehlern wie bei Benutzerprozessen) Architektur von Windows 7 (aus Glatz: Betriebssysteme) 1.9Typische Dienste von Betriebssystemen Programmentwicklung Programmausführung (Job-Verarbeitung, Job-Kontrolle) Fehlererkennung und Reaktion auf Fehler Zugriff auf E/A-Geräte kontrollierter Zugriff auf Dateien Unterbrechungsbehandlung Scheduling Betriebsmittelverwaltung Systemzugriff Buchführung 1.10 Unterschiede zwischen Applikationen und Betriebssystem Applikationen Programmablauf vollständig und eindeutig durch Programmzustand bestimmt Zeit irrelevant für den Ablauf (ausgenommen Echtzeit-Betrieb) Applikationen sind weitgehend in sich abgeschlossene Systeme Betriebssystem muss den Zustand aller Applikationen kennen und berücksichtigen Reaktionen des Betriebssystems müssen zeitsensitiv erfolgen Steuerungen zur Lenkung des Mehr- Programm-Betriebs Betriebssysteme müssen andere Konstrukte haben als Applikationen potentielle Konflikte (Zugriffe auf Betriebsmittel) erkennen und lösen