Grundlagen der Betriebssysteme
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- Eugen Straub
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1 Grundlagen der Betriebssysteme [CS2100] Sommersemester 2014 Heiko Falk Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme Ingenieurwissenschaften und Informatik Universität Ulm
2 Kapitel 1 Einführung
3 Folie 3/35 Motivation der Vorlesung Ausführungsplattformen Jede Ausführung von Programmen bedarf einer zur Ausführung fähigen Systemsoftware und -hardware Wir nennen diese auch Execution Platforms Platform-based Design ist ein Ansatz für viele Anwendungen (z.b. Automotive, Handys,...) Plattformen sind nicht immer ideal (führen bspw. Anwendungen nicht in 0 Zeit mit 0 Energieverbrauch aus) Grundlegendes Verständnis von Plattformen ist zum Begreifen von nichtidealem Verhalten wichtig Deshalb Beschäftigung in dieser Vorlesung mit Execution Platforms
4 Folie 4/35 Zielsetzung (1) Verständnis zum Aufbau und der Arbeitsweise von Rechensystemen Möglichkeiten und Grenzen der Hardware Verständnis für spezifisches Systemverhalten Entwicklung hardwarenaher Programme Ansteuerung von Ein-/Ausgabegeräten (z.b. Treiber) Implementierung effizienter Programme (z.b. in Maschinensprache)
5 Folie 5/35 Zielsetzung (2) Grundlage für weiterführende Lehrveranstaltungen Bereich Technische und Systemnahe Informatik aber auch andere Rechnerarchitektur Betriebssysteme Rechnernetze Eingebettete Systeme Verteilte Systeme Entwurf digitaler Hardware
6 Folie 6/35 Analoge und digitale Rechner (1) Analogrechner Verarbeitung kontinuierlicher Größen Z.B. Länge, Spannung, Temperatur [nach Clements] Beispiele Rechenschieber (17. Jahrhundert) Feuerleitrechner (Anfang des 20. Jahrhunderts) Elektromechanischer Analogrechner (um 1930)
7 Folie 7/35 Analoge und digitale Rechner (2) Digitale Rechner Verarbeitung diskreter Größen mechanische Rasten, Spannungsniveaus, Stromfluss [nach Clements] Beispiele Abakus (ca v. Chr.) Lochkartenwebstuhl (Anfang des 19. Jahrhunderts) Heutige Rechner
8 Folie 8/35 Analoge und digitale Rechner (3) Vergleich: Genauigkeit Unterscheidung Genauigkeit der Darstellung von Größen Genauigkeit der Verarbeitung von Größen Analogrechner Theoretisch beliebig genaue Darstellung Unpräzise Mechanik/Elektronik des Rechners: Ungenauigkeiten selbst bei einfachen Berechnungen (z.b. durch Temperaturabhängigkeit) Digitalrechner Theoretisch ungenaue Darstellung (kann nur in Stufen rechnen) Unpräzise Mechanik/Elektronik des Rechners: Nur in Extremfällen Ungenauigkeiten bei der Verarbeitung
9 Folie 9/35 Analoge und digitale Rechner (4) Vergleich: Datenspeicherung Analogrechner Speicherung von Daten problematisch Siehe z.b. alte Audio-/Videokassetten oder Dias Digitalrechner Speicherung von Daten einfach realisierbar Gute Langzeit-Speichereigenschaften
10 Folie 10/35 Analoge und digitale Rechner (5) Analogrechner Einsatz für Spezialprobleme Beispiel: Lösen von Differentialgleichungen Heute nicht mehr in Gebrauch Digitalrechner Heute vorwiegend elektronische Digitalrechner im Einsatz Vorteil insbesondere: Höhere Genauigkeit lässt sich kostengünstiger als bei Analogrechnern erreichen
11 Folie 11/35 Historische Entwicklung (1) ca v. Chr. Abakus: älteste Rechenhilfe der Welt Genauer Ursprung unklar Verschiedene Versionen Noch heute im asiatischen Raum in Gebrauch 1629 Rechenschieber (William Oughtred) 1642 Pascaline (Blaise Pascal) Mechanische Rechenmaschine Nur Addition [en.wikipedia.org]
12 Folie 12/35 Historische Entwicklung (2) 1666 Grundlagen der Logik (Gottfried Wilhelm Leibniz) 1673 Mechanische Rechenmaschine, Stepped Reckoner (Leibniz) Vier Grundrechenarten Wurzelziehen Präzisionsprobleme bei der Herstellung [en.wikipedia.org]
13 Folie 13/35 Historische Entwicklung (3) 1804 Automatischer Webstuhl (Joseph Jacquard) Lochkarten bestimmen Muster Löcher steuern Anheben und Senken der Kettfäden Erster Nur-Lese-Speicher (Read-Only Memory, ROM) [Deutsches Museum München]
14 Folie 14/35 Historische Entwicklung (4) 1822 Differenzmaschine (Charles Babbage) Einzelteile Präzisionsprobleme bei der Fertigung, Finanzprobleme, nie vollendet 1834 Analytische Maschine (Babbage) Theoretisch programmierbar Erster universeller Rechenautomat Rechenwerk Mill Speicher Store Einsatz von Lochkarten Erste Programmiererin: Lady Augusta Ada Lovelace [Bruno Barral, (ByB)]
15 Folie 15/35 Historische Entwicklung (5) 1847 Boolesche Algebra (George Boole) Binäre logische Operationen Basis für heutige Digitalrechner 1890 Tabelliermaschine (Herman Hollerith) Zähl- und Sortiermaschine (Volkszählung) Basis Lochkarten Holleriths Firma wurde später zu IBM [en.wikipedia.org]
16 Folie 16/35 Historische Entwicklung (6) 1930 Elektromechanischer Analogrechner Differential Analyzer (Vannevar Bush) 1940 Z3 (Konrad Zuse) Relaistechnik (2.200 Stück) 10 Hertz Taktfrequenz 22-stellige Binärzahlen (Gleitkomma-Format) Dezimale Ein-/Ausgabe Speicher mit 64 Worten Steuereinheit mit Sequenzer [en.wikipedia.org] Addition in 3 Takten, Multiplikation in 16 Takten
17 Folie 17/35 Historische Entwicklung (7) 1945 von Neumann Architektur (Presper Eckert, John Mauchly, John von Neumann) Klassischer Universalrechner Vier wesentliche Komponenten: Leitwerk, Rechenwerk, Speicherwerk, Ein- und Ausgabewerk Programme und Daten in einem Speicher Rechenwerk mit ALU und Register Leitwerk mit fetch-decode-execute Instruktionszyklus Binäre Codierung
18 Folie 18/35 Historische Entwicklung (8) 1946 ENIAC (John Mauchly, Presper Eckert) Röhrentechnik ( Stück) 130 m 2, 30 Tonnen, 140 kw ca Additionen pro Sekunde 20 Akkumulatoren 1 Multiplizierer 3 Funktionstabellen Programmiert durch Kabelverbindungen I/O mittels Lochkarten Gebaut für ballistische Berechnungen [en.wikipedia.org]
19 Folie 19/35 Historische Entwicklung (9) 1959 Integrierte Schaltung (Jack Kilby) 1961 PDP-1 (DEC) Transistortechnik Magnetischer Kernspeicher für Bit Worte 200 khz Takt CRT, 512 x 512 Pixel Grafik Erster Minicomputer 1965 PDP-8 Omnibus (erstes Bussystem) [en.wikipedia.org]
20 Folie 20/35 Historische Entwicklung (10) 1965 IBM 360 Erste Rechnerfamilie mit gleichem Befehlssatz Mehrprogrammbetrieb Mikroprogrammierbar 32-Bit Worte 16 MByte Adressraum [en.wikipedia.org]
21 Folie 21/35 Historische Entwicklung (11) 1972 PDP Bit Speicherworte Entwicklungsumgebung für UNIX und C 1976 Cray-1 erster Vektorrechner 1985 MIPS erster RISC-Mikroprozessor 1987 Connection Machine Erster massiv paralleler Rechner mit Prozessoren
22 Folie 22/35 Historische Entwicklung (12) 1992 DEC Alpha erster RISC-Mikroprozessor mit 64-Bit CPU 1997 Supercomputer ASCI Red 1 TFlops 2000 Erster Mikroprozessor mit 1 GHz Taktfrequenz 2005 Erster Dual-Core Mikroprozessor
23 Folie 23/35 Entwicklung der Prozessoren (1) Beispiel: Prozessoren von Intel 1974 Intel 8080 Erste universelle 8-Bit CPU auf einem Chip 1978 Intel 8086 Erste 16-Bit CPU auf einem Chip 1981 Einführung des IBM PC 1985 Intel Erste 32-Bit CPU 1989 Intel Cache und FPU auf Chip integriert [en.wikipedia.org]
24 Folie 24/35 Entwicklung der Prozessoren (2) Beispiel: Prozessoren von Intel 1993 Intel Pentium Zwei Pipelines, Pentium-Bug bei Gleitkomma-Divisionen 1995 Intel Pentium Pro Bis zu fünf Instruktionen gleichzeitig 2002 Pentium 4 Bis zu 2,4 GHz Takt Trace-Cache 2005 Dual Core Pentium Zwei Prozessorkerne 2006 Xeon Clovertown Vier Prozessorkerne
25 Folie 25/35 Leistungssteigerung
26 Folie 26/35 Komplexitätssteigerung Mooresches Gesetz Verdoppelung der Transistorzahl alle 18 Monate Beispiel Intel
27 Folie 27/35 Entwicklung der Betriebssysteme (1) Stapelverarbeitung Wechselpufferbetrieb Spooling (Trennung von Ein-/Ausgabe und Berechnung) 1964 DOS 360 (IBM) Allgemeines Betriebssystem mit Mehrprogrammbetrieb 1969 UNIX (Bell Labs) Betriebssystem für Minicomputer 1972 MVS (IBM) Virtueller Speicher 1976 CP/M 80 (Digital Research) Betriebssystem für Mikroprozessoren
28 Folie 28/35 Entwicklung der Betriebssysteme (2) 1981 MS-DOS (Microsoft) Durchbruch als Mikroprozessor-Betriebssystem 1982 MacOS (Apple) Graphische Oberfläche 1983 SunOS 1.0 (Sun) Yellow Pages (YP) / Network Information Service (NIS) 1985 Netware (Novell) Vernetzung von PCs 1985 SunOS 2.0 (Sun) Network File System (NFS) 1986 MS Windows (Microsoft) Erste graphische Oberfläche für x86-pcs
29 Folie 29/35 Entwicklung der Betriebssysteme (3) 1990 Windows NT (Microsoft) Echter Multiprogrammbetrieb nun auch auf PCs 1991 Linux (Linus Torvalds) Open Source Unix 1996 Erstes Linux mit Multiprozessorunterstützung 2000 Mac OS X (Apple) 2001 Windows XP (Microsoft) 2005 Solaris 10 / SunOS 5.10 (Sun) Zettabyte File System (ZFS) 2009 Windows 7 (Microsoft)
30 Folie 30/35 Aufbau heutiger Rechner (1) Anwendung (R) Microsoft Betriebssystem Ein-/Ausgabe (I/O) Hardware
31 Folie 31/35 Aufbau heutiger Rechner (2) Anwendungen (R) Microsoft Betriebssystem Tux: L. Ewing, S. Budig, A. Gerwinski Ein-/Ausgabe (I/O) Hardware
32 Folie 32/35 Aufbau heutiger Rechner (3) Apps Betriebssystem Ein-/Ausgabe (I/O) Hardware Portions of this page are reproduced from work created and shared by Google and used according to terms described in the Creative Commons 3.0 Attribution License.
33 Folie 33/35 Aufbau heutiger Rechner (4) Eingebettete Systeme Anwendung Betriebssystem OSEK VDX Ein-/Ausgabe (I/O) Bosch Hardware (c) Autoliv Inc.
34 Folie 34/35 Einordnung der Vorlesung in Studienplan Abstraktionsebenen eines Rechensystems Anwendungsprogramm-Ebene Java, C,...: for, while, if,... Assemblerprogramm-Ebene bne $1,$2,loop Maschinenprogramm-Ebene/ Befehlsschnittstelle Compiler Assembler Betriebssystem-Ebene PI/PvS GdBS Register-Transfer-Verhaltensebene Reg[2] := Reg[3] Register-Transfer-Strukturebene Gatterebene Transistorebene Addierer, Multiplexer, Register f = a bc GdRA ET/ Phys.
35 Folie 35/35 Inhalte der Vorlesung Überblick 1. Einführung 2. Zahlendarstellungen und Rechnerarithmetik 3. Einführung in Betriebssysteme 4. Prozesse und Nebenläufigkeit 5. Filesysteme 6. Speicherverwaltung 7. Einführung in MIPS-Assembler 8. Rechteverwaltung 9. Ein-/Ausgabe und Gerätetreiber Materialien Dank an Prof. Hauck, Prof. Schulthess und Prof. Marwedel!
B Einführung B.2 B.4. 1 Zielsetzung. 2 Analoge und digitale Rechner. 1 Zielsetzung (2) Verständnis zum Aufbau und der Arbeitsweise von Rechnersystemen
1 Zielsetzung B Einführung Verständnis zum Aufbau und der Arbeitsweise von Rechnersystemen Möglichkeiten und Grenzen der Hardware Verständnis für spezifisches Systemverhalten Entwicklung hardwarenaher
Verständnis zum Aufbau und der Arbeitsweise von Rechnersystemen
B Einführung B.1 1 Zielsetzung Verständnis zum Aufbau und der Arbeitsweise von Rechnersystemen Möglichkeiten und Grenzen der Hardware Verständnis für spezifisches Systemverhalten Entwicklung hardwarenaher
B Einführung. 1 Historische Entwicklung. 1 Historische Entwicklung (3) 1 Historische Entwicklung (2)
1 Historische Entwicklung 8500 v. Chr.: Zählsysteme in vielen Kulturen benutzt häufig 5 oder 10 als Basis 1. historische Entwicklung 2. Entwicklung der Mikroprozessoren 3. Entwicklung der Betriebssysteme
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