IV.3 Betriebssysteme

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1 IV.3 Betriebssysteme

2 IV.3.1 Aufgaben eines Betriebssystems Starten und Beenden des Betriebs des Rechners. Programme laden und beenden. Verwaltung des Arbeitsspeichers bei Nutzung durch mehrere Programme. Zuteilung des Prozessors an laufende Programme. Bereitstellung der Programme (Dienste) zum Transport von Daten zwischen dem Speicher und Ein/Ausgabegeräten. Verwaltung des externen Speichers (Festplatten) Überwachung von Berechtigungen Vestecken der Komplexität und genauen Eigenschaften der Hardware vor den Anwendungen (Bereitstellen einer Anwendersicht) durch Bereitstellen von Diensten. Betriebsmittelverwaltung (Betriebsmittel = Speicher, Platte, Drucker, Netzwerk, Anzeige, Sound )

3 Betriebssystem versus Benutzeroberfläche Meist werden Benutzeroberflächen mit dem Betriebssystem identifiziert, weil es durch sie für den Benutzer in Erscheinung tritt. Das Betriebssystem stellt elementare Dienste zur Programmierung bereit bietet eine abstrakte Schnittstelle zur Hardware. Verwaltet Betriebsmittel Die Graphische Benutzeroberfläche Stellt eine komfortable Schnittstelle zu den Anwendungsprogrammen und Systemdiensten bereit Setzt Dienste bildlich um (z.b. Mülleimer, Verschieben von Dateien) Desktop Metapher (Nachbildung eines Schreibtisches)

4 IV.3.2 Prozessorverwaltung und Zuteilung Prozesse (Tasks( Tasks) sind Programme, die als Rechenlast vom Betriebssystem verwaltet werden. Wenn man als Benutzer ein Programm startet, so erzeugt man (mindestens einen) neuen Prozess. Eigenschaften von Prozessen: Prozesse stehen für in Ausführung befindliche Programme Sie haben einen Zustand, und werden durch einen Kontext beschrieben. (Prozesskontrollblock) Sie arbeiten auf einem eigenen Teil des Speichers, auf den kein anderer Prozess (ausser das Betriebssystem) zugreifen kann. Oft sehen sie den ganzen Adreßraum als virtuellen Speicher (s. IV.3.3) Sie kommunizieren mit anderen Prozessen durch Nachrichten (überbracht durch das Betriebssystem) Sie können unterschiedliche Prioritäten und Berechtigungen haben. Viele Systemdienste sind selbst laufende Prozesse

5 Prozesse -- ff Prozesse werden in folgenden Zuständen verwaltet. Prozesskontrollblock: Zustandsübergänge ProzessID exit Startadresse Zustand + Kontrollinfos Kontext create running plan interrupt ready suspend suspended resume Der Systemkern realisiert die entsprechenden Zustandsübergänge. Zu den Zuständen ready und suspended verwaltet der Kern eine oder mehrere Warteschlangen, je nach bereitgestellten Mechanismen zu Ablaufplanung und Synchronisation.

6 Prozessverwaltung Zu den Aktionen: create: Erzeugt einen Prozess und reiht ihn in die entsprechende ready queue ein. Häufig hat man eine feste Prioritätshierarchie (0-32) und zu jedem Prioritätswert eine Warteschlange. exit: Systemaufruf zum Beenden. Der Prozess wird aus der Prozessverwaltung entfernt. interrupt: Unterbrechung des Prozesses asynchron: von aussen eingehende, nicht maskierte Unterbrechung synchron: vom Prozess per Befehl ausgelöst (Trap) suspend: ein laufender Prozess wird wegen Unterbrechung suspendiert, oder suspendiert sich per Systemaufruf selbst (Warten auf ein Ereignis, Ein/Ausgabe ). Er wird in die Warteschlange eingereiht, die alle suspendierten Prozesse hält. resume: Bei Eintreten eines Ereignisses, das eine Suspendierungsursache aufhebt oder ändert werden suspendierte Prozesse geprüft, und ggf. wieder der ready Warteschlange zugeführt.

7 IV.3.3 Speicherverwaltung Adressraum von heutigen Rechnern ist sehr groß! Bei Busbreite n sind 2 n Speicherzellen adressierbar!... soviel Hauptspeicher kann man nicht bereitstellen! Busbreite adressierbare Speicherzellen , , Kosten bei 25 / 32 MByte

8 Benutze Festplatte als virtueller Speicher Benutzersicht Programm und alle Daten befinden sich im Hauptspeicher, sofern der Adressraum nicht ausgeschöpft ist. Die Wirklichkeit multi-user System, d.h. nicht jedem Benutzer kann der ganze Hauptspeicher zur Verfügung stehen. Programme werden nicht für einen spezifischen 32-Bit Rechner mit maximaler Hauptspeichergrösse geschrieben. Sie sollen auch auf 32-Bit Rechner mit kleinerem Hauptspeicher lauffähig sein. Ausweg Benutze die Festplatte, um die "Hauptspeicherdaten" eines Prozesses zu speichern, die aufgrund von Kapazitätsgründen nicht im vorhandenen Hauptspeicher liegen können.

9 Verwaltung des virtuellen Adressraumes Jedem Prozess steht ein virtueller Adressraum zur Verfügung Diese virtuellen Adressräume werden von dem Betriebssystem verwaltet. Fragen: Welche Daten bzw. Programmteile werden im Hauptspeicher gehalten? Welche Daten werden ausgelagert, wenn neue Daten benötigt werden? In diesem Zusammenhang werden die Konzepte Paging Segmentierung angewandt.

10 Paging Grundidee Der virtuelle Speicher wird auf dem Sekundärspeicher abgelegt... und in Seiten (pages) fester Grösse unterteilt. Der Hauptspeicher besteht aus Seitenrahmen (page frames), die jeweils eine Seite aufnehmen können Eine Seitentabelle (page table) gibt an, welche Seitenrahmen durch welche Seiten belegt sind.

11 Paging ff Hauptspeicher Speicheradressen Hauptspeicher pagetable virtueller Adressraum 0 Disk - Adressen Seitenadresse valid bit HDD Zahlenbeispiele: Bei einem virtuellen Adressraum vom 28 Bit (256MB) hätten wir bei Pagegröße 2 KB -> 11 Bit offset und 17 Bit Pageadresse, ergibt 17 bit Adressraum zu 3 Byte = 384KB Pagetable Seitentabelle (liegt im Hauptspeicher) Pagegröße 16 KB -> 14 b offset und 14 Bit Pageadresse, ergibt 14 bit Adressraum zu 2 Byte = 32KB Pagetable

12 Paging: Zugriff auf Datenseite i Überprüfe, ob die Datenseite i im Hauptspeicher liegt; if Seitenfehler then Überprüfe, ob ein Seitenrahmen im Hauptspeicher leer ist; if kein Seitenrahmen leer then Verdränge eine Seite aus dem Hauptspeicher und aktualisiere die Seitentabelle; fi; Schreibe die Datenseite i in einen freien Seitenrahmen; Aktualisiere die Seitentabelle; fi; Greife auf Seite i im Hauptspeicher zu;

13 Verdrängungsstrategien LFU-Strategie (Least Frequently Used) Verdränge die Seite aus dem Hauptspeicher, auf die seit ihrer Einlagerungszeit am seltensten zugegriffen wurde LRU-Strategie (Least Recently Used) Verdränge die Seite, auf die am längsten nicht zugegriffen wurde. FIFO-Strategie (First In, First Out) Verdränge die Seite, die am längsten im Hauptspeicher liegt Kleiner Verwaltungsaufwand, da nur bei einem Seitenfehler etwas getan werden muss.

14 Segmentierung Unterteilung des virtuellen Speichers in Segmente unterschiedlicher Grössen Zum Beispiel ein Segment für den Programmcode den Stack die statischen Variablen... Falls ein angefordertes Segment nicht im Hauptspeicher ist: segment fault Das Betriebssystem kann dafür Sorge tragen, dass bestimmte Segmente dauernd im Hauptspeicher liegen und nicht verdrängt werden können.

15 Fragmentierung Beim reinen Paging hat man das Problem, dass man stets eine komplette Seite benutzen muss, auch wenn man nur ein Byte weiteren Speicher braucht. Es gibt unausgelastete Seiten (innere Fragmentierung) Segmentierung ist in dieser Hinsicht flexibler, vertagt aber das Problem auf die Festplatte. Wird ein Segment angefordert, muss dazu ein Stück auf der Festplatte benutzt werden, in das das Segment passt. Bei der Freigabe des Segments entstehen dann Lücken, die erst dann wieder gefüllt werden können, wenn ein Segment kleinerer oder gleicher Grösse angefordert wird (äussere Fragmentierung).

16 IV.3.4 Verwaltung des Hintergrundspeichers Beispiel: MSDOS Die Festplatte ist nach dem Formatieren logisch unterteilt in den Systembereich bestehend aus dem Urladerbereich (Boot block): Spur 0, Seite 0, Sektor 1 der Dateizuordnungstabelle (File allocation block): Adresse (Spur, Seite, Sektor) = (0,0,2) bis (0,0,4) dem Dateiverzeichnis (directory): Adresse (0,0,5...9) und (0,1,1...2) den Datenbereich: ab Adresse (0,1,3) (Spur 0 ist die äussere Spur einer Festplatte) Der Urladerbereich besteht aus einem kurzen Programm (Länge kleiner als 512 byte), das nach dem Einschalten des Rechners vom BIOS (Basic I/O System) geholt wird, und dann den Prozess zum Laden des Betriebssystems in den Arbeitsspeicher aktiviert.

17 Dateizuordnungstabelle bei MS-DOS Dateien werden in untereinander verketteten Sektoren gespeichert. zu jedem Sektor muß demnach Zylindernummer Seitennummer (d.h. welche Stapeloberfläche) Sektornummer des nächsten zu dieser Datei gehörigen Sektors aufbewahrt werden. In der FAT (File Allocation Table) gibt es für jeden Sektor einen Eintrag, der anzeigt, ob der Sektor frei, belegt oder schadhaft ist, in einem belegten Sektor die Adresse des nächsten Sektors der Datei enthält, oder die Information, dass die Datei keinen weiteren Sektor mehr belegt.

18 Dateizuordnungstabelle Man erkennt, dass die FAT sehr groß werden kann, wenn man viele Sektoren hat. Sie muss vom Betriebssystem in den Hauptspeicher geladen werden und kann mehrere Mb gross werden. Wird ein Rechner einfach ausgeschaltet, kann sie inkonsistent sein. Andererseits möchte man möglichst kleine Sektoren haben, um nicht zuviel Verschnitt beim Ablegen von Dateien zu erhalten. Wähle einen Kompromiss (512 Byte bis 2 KB pro Sektor)

19 Das Dateiverzeichnis bei MS-DOS Hier werden für jede Datei neben verschiedenen Attributen die Adresse des ersten Sektors der Datei hinterlegt. Byte x00-x07 x08-x0a x0b x0c-x15 x16-x17 x18-x19 x1a-x1b x1c-x1f Information Dateiname oder not valid Kennung (z.b..txt,.exe,.com) Schreibschutz, versteckt,... Reserviert für MSDOS-Erweiterungen Uhrzeit des letzten Schreibzugriffs Datum des letzten Schreibzugriffs Adresse des ersten Sektors Länge der Datei

20 IV.3.5 Das Netzwerk Die Verbindung von Rechnern durch ein Netzwerk spielt heute eine zentrale Rolle. Zum Netzwerk gehören neben der rein physischen Verbindung die Dienste und die Infrastrukturen: 4 Mbit/s Token Ring 4 Mbit/s SubnetVirtuelles Netz B-ISDN (Telekom) 34 Mbit/s 155 Mbit/s 2 Mbit/s Token Ring Token Ring 10 Mbps 4Mbps Ethernet Datenpakete

21 IV.3.6 Referenzmodelle Um von den Mechanismen des eigentlichen Transports von Daten seitens der Anwendung weitgehend zu abstrahieren, hat man ein Schichtenmodell von Softwareschichten entwickelt und standardisiert. Die benötigten Funktionen werden Schichten zugeordnet, und zwar so, dass alle Funktionen der Schicht i+1 über Funktionen der Schicht i implementiert werden können. Dies erleichtert das Zusammenstellen aller Funktionen und den Austausch einer Schicht durch eine alternative Implementierung, da Art und Umfang der Funktionen durch einen Standard vorgegeben sind. Als Beispiel wollen wir das TCP/IP (Transmission Control Protokoll/ Internet Protokoll) Referenzmodell betrachten:

22 Das TCP/IP Referenzmodell Anwendungsschicht (Application Layer) Transportschicht (Transport Layer) Internetschicht (Internet Layer) Netzwerkschicht (Network Layer) Oberste Protokolle, wie Telnet (virtuelles Terminal), SMTP ( ), FTP (FileTransfer), HTTP (Hypertext Transfer Protocol) Transportprotokolle wie TCP. TCP ist ein zuverlässiges End zu End Protokoll zur fehlerfreien Übertragung von Byteströmen zwischen zwei Rechnern. Definiert das IP Protokoll. Schnürt Pakete und stellt sie dem Adressaten zu. Das Routing der Pakete spielt hier eine wichtige Rolle. Legt die eigentliche physische Übertragung fest, und welche Protokolle dazu zu benutzen sind. (Ethernet IEEE802.3, Serial Line IP SLIP) In diesem einfachen Referenzmodell unterscheidet man z.b. nicht zwischen Bitübertragung und Sicherung. (vgl ISO/OSI Modell: 7 Schichten)

23 Übertragungstechniken Bei der Datenübertragung unterscheidet man zwei Vermittlungsarten: Paketvermittelnde Übertragung Nachricht wird in ein oder mehrere Pakete verpackt Jedes der Pakete enthält die Adresse des Empfängers Es wird kein direkter Übertragungsweg vom Sender zum Empfänger freigeschaltet Das Paket wird in Abhängigkeit der Empfängeradresse immer nur zu einem direkten Nachbarn geschickt. Leitungsvermittelnde Vermittlung Es wird im Netzwerk ein (virtueller) direkter Übertragungsweg vom Sender zum Empfänger geschaltet, über den alle Nachrichten geschickt werden (Bsp: Telefonverbindung)

24 Leitungsvermittelnde Übertragung Sender 1 Sender 1 Sender 2 Sender 2 Sender 3 Sender 3 Empfänger 1 Empfänger 1 Empfänger 2 Empfänger 2 Empfänger 3 Empfänger 3 Schnelle Übertragung grosser Datenmengen in Echtzeit. Geschalteter Pfad blockiert andere Verbindungen

25 Paket-vermittelnde Übertragung Sender 1 Sender 1 Sender 2 Sender 2 Sender 3 Sender 3 Empfänger 1 Empfänger 1 Empfänger 2 Empfänger 2 Empfänger 3 Empfänger 3 Keine Verbindung muss lange warten Unterbrechungen während einer Übertragung möglich

26 Beispiele Übertragungstechniken: Ethernet Charakteristika Bus-Topologie (alle Teilnehmer hängen an einem phys. Medium) Mbit / Sekunde Paket-Versand mit Paketgrößen von Bytes Nicht abhörsicher: alle hören mit! (Lokales) Rechnernetz über eine Bridge mit der Aussenwelt verbunden, die die Nachrichten filtert und verstärkt Übertragungsvorgang Nachrichten werden in Pakete fester Länge zerteilt. Jedes Paket enthält Headerinformation mit Zieladresse und Sequenznummer Jeder Rechner horcht am Bus und empfängt die Pakete, die seine Adresse tragen Kollisionen von mehreren Sendern werden erkannt. Falls Kollision, dann später erneuter Sendeversuch

27 Beispiel: Token-Ring [Token Passing Ring Network] Charakteristika Ring-Topologie bis 16 Mbit / Sekunde (Token-Ring von IBM) Paket-Versand mit fester Paketgrößen Nicht abhörsicher: viele hören mit! (Lokales) Rechnernetz über eine Bridge mit der Aussenwelt verbunden, die die Nachrichten filtert und verstärkt Übertragungsvorgang Nachrichten werden in Pakete fester Länge zerteilt. Jedes Paket enthält Headerinformation mit Zieladresse und Sequenznummer Pakete werden solange weitergereicht, bis Zieladresse mit der eigenen übereinstimmt Es kreist ein sogenanntes Token (spezielles Paket) Ein Rechner darf nur dann senden, wenn er das Token besitzt

28 Beispiel: CDDI/FDDI-Ring Charakteristika Ring-Topologie 100 Mbit / Sekunde [Copper / Fiber Distributed Data Interconnect] Besteht aus zwei gegenläufigen Ringen Fehlertolerantes Netz... ansonsten wie beim Token-Ring