Überlegungen beim Entwurf eines Betriebssystems

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1 Überlegungen beim Entwurf eines Betriebssystems Schnelligkeit Schutz und Sicherheit Korrektheit Wartbarkeit Kommerzielle Faktoren Standards und offene Systeme

2 Schnelligkeit Es ist schwierig, Kenngrößen zu finden, die als Maß für die Güte des Betriebssystems genommen werden können. Schnelligkeit Schutz und Sicherheit Korrektheit Wartbarkeit Kommerzielle Faktoren Standards und offene Systeme Beispiel: Anwendungsentwicklung Das Betriebssystem stellt viele Dienste zur Verfügung. Problem: Verlangsamen diese Dienste die Anwendung signifikant im Hinblick auf die Hardwaregeschwindigkeit? Bezeichnung: Systemoverhead Beispiel: Dateiverwaltung, Dateisystem Problem: Wie schnell kann auf die Daten der Massenspeicher zugegriffen werden? Wird später behandelt werden.

3 Schutz und Sicherheit Systeme mit Mehrprogrammbetrieb unterstützen mehrere zeitlich parallele Prozesse. Jeder Prozess benötigt Betriebsmittel. Schnelligkeit Schutz und Sicherheit Korrektheit Wartbarkeit Kommerzielle Faktoren Standards und offene Systeme Erfordernis 1: Isolierung der Betriebsmittel. Es muss sichergestellt sein, dass ein Prozess seine Betriebsmittel exklusiv zur Verfügung hat, ohne daß ein anderer Prozess irgendeinen Einfluss darauf hat. ZB Hauptspeicher, ein anderer Prozess darf weder dort lesen noch schreiben können. Erfordernis 2: Geteilte Verwendung von Betriebsmitteln. Es muss möglich sein, dass bei Bedarf zwei Prozesse gleichzeitig ein Betriebsmittel nutzen können. Z.B. ein Hauptspeicherbereich, mit dem die Prozesse Daten austauschen können, z.b. eine Datei, auf die beide Prozesse lesend zugreifen.

4 Ein Betriebssystem stellt Schutzmechanismen zur Verfügung. Mit den Schutzmechanismen kann man Zugangsverfahren für die Betriebsmittel definieren. Beispiel: Nur ein Prozess darf Schreibzugriff zu einer Datei haben, lesen dürfen gleichzeitig aber mehrere Prozesse. Tools: Dateiverriegelung zum Lesen, Dateiverriegelung zum Schreiben Beispiel: Ein Nutzer kann nur Zugriff zu den eigenen Dateien haben, auf fremde Dateien nur mit Erlaubnis. Tools: Passwortschutz für Dateien, Dateien erhalten das Attribut Besitzer. Schnelligkeit Schutz und Sicherheit Korrektheit Wartbarkeit Kommerzielle Faktoren Standards und offene Systeme

5 Korrektheit Wichtiges Gebot für jede Software, besonders für die Betriebssysteme. Wird u.a. versucht durch Strukturierung der Betriebssystemsoftware, zb Schichtstruktur. Jede obere Schicht kann darauf vertrauen, dass die unteren Schichten korrekt sind. Schnelligkeit Schutz und Sicherheit Korrektheit Wartbarkeit Kommerzielle Faktoren Standards und offene Systeme

6 Wartbarkeit Methoden ähnlich wie bei der Korrektheit. Betriebssystem sollte strukturiert sein, evtl. in Subsysteme, die definierte Schnittstellen haben. Mit Korrektheitsanspruch: Subsysteme Subsysteme sollten leicht ersetzbar sein, neue sollten leicht installierbar sein. Schnelligkeit Schutz und Sicherheit Korrektheit Wartbarkeit Kommerzielle Faktoren Standards und offene Systeme

7 Kommerzieller Einfluss bei Betriebssystemen Wird das beste Betriebssystem am meisten verkauft? Microsoft s DOS, Windows 9x, Windows NT vs. kommerzielle UNIX-Systeme (oder auch LINUX) Schnelligkeit Schutz und Sicherheit Korrektheit Wartbarkeit Kommerzielle Faktoren Standards und offene Systeme

8 Standards und offene Systeme Problem: In einem verteilten System (verschiedene Computer, verschiedene Betriebssysteme) liegen die Informationen einer Organisationseinheit, jede Information steht jedem Nutzer zur Verfügung (falls er die Berechtigung dazu hat). Schnelligkeit Schutz und Sicherheit Korrektheit Wartbarkeit Kommerzielle Faktoren Standards und offene Systeme

9 Grundfunktionen eines Betriebssystems Geräteverwaltung Prozess- und Betriebsmittelverwaltung Speicherverwaltung Dateisystem

10 Geräteverwaltung Festplatten, Bandgeräte, Terminals (Bildschirm und Tastatur) und Drucker werden von den Betriebssystemen ähnlich verwaltet. Speicher und Prozessor benötigen eine spezielle Verwaltung. Zuordnung, isolierte (exklusive) Nutzung und geteilte Nutzung müssen realisiert sein. Geräteverwaltung Prozess- und Betriebsmittelverwaltung Speicherverwaltung Dateisystem Geräteabstraktion Wie deckt das Betriebssystem die Gerätevielfalt ab? Entweder über fest eingebaute Gerätetreiber oder über dynamisch nachladbare Treiber.

11 Prozess- und Betriebsmittelverwaltung Beides definiert die Prozessumgebung, d.h. die Umgebung einer Programmausführung. Es werden zur Verfügung gestellt: Funktionen zur Prozessverwaltung Erstellen eines Prozesses Löschen eines Prozesses Blockieren und Aktivieren eines Prozesses Falls Threads realisert sind, ähnliche Funktionen auch für die Threadverwaltung. Geräteverwaltung Prozess- und Betriebsmittelverwaltung Speicherverwaltung Dateisystem

12 Funktionen zur Belegung und Nutzung von Betriebsmitteln Speicherverwaltung Geräteverwaltung Prozess- und Betriebsmittelverwaltung Speicherverwaltung Dateisystem Getrennte (isolierte) Adressräume für die Prozesse Ein besonders geschützter Adressraum für das Betriebssystem Realisiert durch: Virtueller Speicher Segmentierter virtueller Speicher Weitere Funktionen: Einblenden von Dateien in den Hauptspeicher Gemeinsamer Speicher zwischen Prozessen zur Kommunikation

13 Dateisystem Geräteverwaltung Prozess- und Betriebsmittelverwaltung Speicherverwaltung Dateisystem Die Dateien sind eine Abstraktion für die Speicherung von Daten auf den Speichergeräten. Die gerätespezifischen Eigenheiten verschwinden hinter der abstrakten Datei. Dateisysteme verwalten die Dateien auf den Datenträgern und stellen die Zugriffsmechanismen zur Verfügung. Möglich: Ein Betriebssystem unterstützt mehrere Dateisysteme. Wegen des abstrakten Dateibegriffes möglich.

14 Funktionale Organisation Betriebssystem Dateisystem Prozess- und Betriebsmittelverwaltung Geräte- verwaltung Speicherverwaltung Hardware Prozessor(en) Hauptspeicher Geräte

15 Drei bedeutende Punkte bei der Betriebssystemrealiserung 1. Prozessor-Modes (Betriebszustände des Prozessors) 2. Betriebssystemkerne 3. Methode des Abrufs der Betriebssystemdienste

16 Prozessor-Modes 1. Prozessor-Modes (Betriebszustände des Prozessors) 2. Betriebssystemkerne 3. Methode des Abrufs der Betriebssystemdienste Supervisor Mode privilegierter Modus der Betriebssystemfunktionen User Mode Modus der Anwendungen Ein Mode-Bit zeigt die jeweilige Betriebsart an. Ein Interrupt schaltet in den Supervisor-Mode um. Setze Supervisor-Mode Betr.Syst. Interrupt, Trap Setze User-Mode User Privilegierte Instruktionen können nur im Supervisor-Mode ausgeführt werden. I/O-Instruktionen sind privilegierte Instruktionen. Eine Anwendung kann ihren Programmtext nicht im Supervisor-Mode ausführen.

17 Synchrone und asynchrone Unterbrechungen Unterbrechung der normalen Programmausführung Synchron Asynchron Trap (int- Instruktion) Ausnahme Interrupt (z.b. Fehlerfall) Synchron: hängt mit der Ausführung einer Instruktion zusammen Asynchron: hängt nicht mit der Ausführung der Instruktion zusammen, z.b. Unterbrechungsanforderung eines Gerätes - Drücken einer Taste der Tastatur Eine Unterbrechung bewirkt eine indirekte Programmverzweigung mit der Speicherung der Kontextdaten, ein Rückspeicherung der Kontextdaten ermöglicht eine Programmfortsetzung an der Unterbrechungsstelle. Eine Unterbrechung ist mit einem Argument verknüpft(in der Regel eine ganze Zahl). Diese Zahl ist ein Index in eine Adressleiste, dort steht die Zieladresse für die Verzweigung.

18 Betriebssystemkern 1. Prozessor-Modes (Betriebszustände des Prozessors) 2. Betriebssystemkerne 3. Methode des Abrufs der Betriebssystemdienste Hoheitliche Aufgaben nur dort, wo nötig. Der Rest kann im User Mode ablaufen: sicherer. Der kleine Kern muss korrekt und sicher sein und gut geschützt vor den Anwendungen sein.

19 Aufruf der Systemdienste System Call Senden einer Nachricht 1. Prozessor-Modes (Betriebszustände des Prozessors) 2. Betriebssystemkerne 3. Methode des Abrufs der Betriebssystemdienste Wichtig: die Entkoppplung von System und Anwendung call(...); send(...,a,..); receive(..,b,..); Trap Send/Receive Ziel return Ziel receive(...); send(...); System Call Nachrichtenaustausch Meist ist der Nachrichtentausch über den SystemCall realisiert, da es dazu keine Hardwareunterstützung gibt.

20 1. Prozessor-Modes (Betriebszustände des Prozessors) 2. Betriebssystemkerne 3. Methode des Abrufs der Betriebssystemdienste System Call: Der benötigte Dienst liegt in Form einer geladenen Funktion (dazu gehören auch die in DLL's vorhandenen Funktionen) vor. Nachricht: Der benötigte Dienst liegt in einem Systemprozess vor.

21 Geräte können über den Interruptmechanismus (sofern sie die Funktion besitzen) Systemdienste abrufen. Ein Trap steht nur Programmen zur Verfügung. Gerät löst Interrupt aus 1. Prozessor-Modes (Betriebszustände des Prozessors) 2. Betriebssystemkerne 3. Methode des Abrufs der Betriebssystemdienste Interrupt Systemdienst für das Gerät Zurück zum unterbrochenen Programmtext eines Prozesses

22 Erläuterung: Ein Prozess wird unterbrochen (daher der Name Interrupt), der Systemdienst für das Gerät wird eingeschoben. Danach wird der unterbrochene Prozess fortgesetzt. 1. Prozessor-Modes (Betriebszustände des Prozessors) 2. Betriebssystemkerne 3. Methode des Abrufs der Betriebssystemdienste