Vorlesung: Betriebssysteme

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1 Vorlesung: Betriebssysteme T. Fahringer Institut für f r Informatik Universität t Innsbruck Thomas.Fahringer@uibk.ac.at 1

2 Kapitel I Betriebssysteme: Aufgaben und Überblick 2

3 Was ist ein Betriebssystem (BS)? (1) Verwaltung von Ressourcen (Betriebsmittel) Ressourcen: CPU, Speicher, Platte, Netzwerk BS vergibt diese Ressourcen. BS benötigt selbst Ressourcen. Beispiel: Dateien Jeder Datei werden Rechte zugeordnet. legen z.b. fest, wer die Dateien lesen darf BS stellt die Einhaltung der Rechte sicher unbefugter Zugriff wird verweigert Beispiel: Drucker BS regelt Zugriff auf Drucker Jobs werden hintereinander und nicht gleichzeitig ausgeführt 3

4 Was ist ein Betriebssystem (BS)? (2) Virtuelle Maschine Abstraktion einer größ ößeren (oder anderen) Maschine Beispiele: virtueller Speicher ist größ ößer als der tatsächliche Speicher Java Virtual Machine (Stack-Maschine) BS als Mittler zwischen Anwendungen und Hardware Anwendungen können k nicht direkt auf die HW zugreifen System- und Benutzermodus Systemaufrufe, Ausnahmen, Unterbrechungen Multiplexor ermöglicht das Teilen von Ressourcen und Schutzmechanismen Motivation sind Kosten: $40 MioM Superrechner 4

5 Was ist ein Betriebssystem? (2) Anbieter von Serviceleistungen Ressourcen Schnittstelle für f r Programmierer Window-System Speicherverwaltung, etc. Software, die immer geladen ist oder läuftl BS Kernel: : kleines und geschütztes Programm 5

6 Betriebssystemstruktur Ein Betriebssystem besteht häufig h aus folgenden Komponenten: Prozessmanagement Hauptspeichermanagement Sekundärspeichermanagement Netzwerkmanagement 7 Schutzmechanismus Kommando-Interpreter Interpreter-System

7 Betriebssystemstruktur: Prozessmanagement Programm ist passive Einheit (z.b. Sequenz von Bytes). Ein Prozess ist ein Programm, das von der CPU exekutiert wird. Die Exekution der Befehle erfolgt in der Regel sequentiell. Programme benötigen Ressourcen, die vom BS zugeteilt werden. Betriebssystem: erzeugt/löscht Prozesse. legt Prozesse in Warteschlange. unterstützt tzt Synchronisation von Prozessen. ermöglicht Kommunikation zwischen Prozessen. 8

8 Betriebssystemstruktur: Hauptspeichermanagement Programme und Daten befinden sich im Hauptspeicher (primärer rer Speicher). Programme müssen m sich vor der Exekution im Hauptspeicher befinden. Hauptspeicher wird von CPU und Input/Output Devices geteilt. Betriebssystem: vergibt Hauptspeicher an Prozesse. überwacht, welche Teile des Hauptspeichers vergeben/frei sind. kontrolliert, welche Prozesse von der Platte in den Hauptspeicher geladen werden. 9

9 Betriebssystemstruktur: File-Management Daten können k in verschiedenen Speichern abgelegt werden: Hauptspeicher, magnetische Platte, magnetisches Band, optische Platte usw. Jedes Speichermedium wird von speziellem Device Controller kontrolliert. BS bildet physikalischem Speicher auf logische Einheiten ab: File. Ein File besteht aus Sequenz von Bits, Bytes, Zeilen, Records usw. Betriebssystem: erzeugt und löscht l Files/Verzeichnisse. stellt Befehle für f r das Manipulieren von Files zur Verfügung. kontrolliert die Abbildung von Files auf sekundären Speicher. ermöglicht Sicherungskopien von Files. 10

10 Betriebssystemstruktur: Sekundärspeichermanagement Hauptspeicher zu klein für f r alle Programme. Bei Stromversorgungsproblemen gehen alle Daten des Hauptspeichers verloren. Benötige Sekundärspeicher (z.b. Plattenspeicher), der alle Programme dauerhaft speichert. Programme werden von Sekundärspeicher erst in den Hauptspeicher geladen, wenn diese exekutiert werden. Betriebssystem: vergibt Sekundärspeicher. gibt Sekundärspeicher frei. 11

11 Betriebssystemstruktur: Netzwerkmanagement Bei verteilten Architekturen gibt es n Rechner mit privatem Speicher. Rechner kommunizieren über ein Netzwerk. Netzwerk kann vollständig oder partiell konfiguriert sein. Betriebsystem ermöglicht Zugriff auf alle Ressourcen, die über ein Netzwerk verbunden sind. 12

12 Betriebssystemstruktur: Schutzmechanismus Parallel exekutierende Prozesse müssen m geschützt werden. Prozess darf nicht auf Daten eines anderen Prozesses zugreifen. keine unerlaubte Trennung eines Prozesses von der CPU durch andere Prozesse 13 HW-Schutzmechanismen kontrollieren den Zugriff von Prozessen auf Ressourcen.

13 Betriebssystemstruktur: Kommando-Interpreter Interpreter-System (Shell) Schnittstelle zwischen Benutzer und BS. Zugang zur Systemsoftware durch den Benutzer graphische Shell (z.b. Windows-Oberfl Oberfläche) intuitiver Zugang für f r ungeübte Benutzer textuelle Shell (z.b. Unix sh, bash; DOS-shell in Windows) komplexer, aber einfache Automatisierung durch Shell Scripts Teil desd Betriebssystems,, das BS-Befehle Befehle exekutiert. Login. Starten eines neuen Prozesses. Statusabfrage von allen Prozessen, etc. 14

14 Betriebssystemstruktur: Kommando-Interpreter Interpreter-System (Shell) Shell bekommt jeden Befehl an BS und exekutiert diesen. Prozesse erzeugen/terminieren Input/Output Management Management des Sekundärspeichers Hauptspeichermanagement File-Zugriffe Schutzmechanismus Netzwerkmanagement 15

15 Benutzerschnittstelle: : Shell Start neuer Prozesse: : date Umgebungsvariablen: : PATH=/bin:/usr:$HOME usr:$home/bin Eingabe- und Ausgabeumleitung: : sort < file1 > file2 Standard-Eingabe aus file1 statt von Tastatur Standard-Ausgabe auf file2 statt auf Bildschirm Pipes: cat file1 file2 file3 sort lpr Ausgabe eines Prozesses dient als Eingabe des nächsten (Interprozesskommunikation!) Ausführung im Hintergrund: : sort < file1 lpr & 16

16 Benutzerschnittstelle: : Shell Scripts Zusätzliche Elemente: Kommandos zur Ablaufsteuerung Bedingungen, Schleifen, Prozeduren,,... Beispiel: Verschieben von Dateien ohne Überschreiben for i in *.txt # für alle.txt Dateien do target=../other/$i if test f f $target # falls Datei existiert then mv $target $target.bak$ fi mv $i $target done 17

17 BS Serviceleistungen BS stellt Umgebung (Services) für f r das Exekutieren von Prozessen zur Verfügung: Programmexekution Input/Output Operationen Manipulation des File-Systems Kommunikation Fehlererkennung: Probleme mit der Stromversorgung Speicherfehler Verbindungsfehler im Netzwerk Prüfsummenfehler bei Plattenzugriff Fehlerbehandlung durch das BS Vergabe von Ressourcen Abrechnung von Ressourcen Schutzmechanismus 18

18 Warum beschäftigen wir uns mit BS? BSe sind interessant Details sind interessant. Studieren von parallelen Vorgängen hilft in anderen Informatikbereichen. BS sind große e und komplexe Programme Software Engineering ist wichtig! Es gibt kein perfektes BS Zu viele Klassen von Benutzern Echtzeit, Desktop, Server, Multimedia, etc. Viele verschiedene Modelle und Abstraktionen sind möglich. m Viele Abstraktionsebenen Hardware-Details Höhere Konzepte: Deadlock,, Synchronisierung, Scheduling,, etc. Zuverlässigkeit Wenn das BS abstürzt, dann stürzt auch der Computer ab. Recovery: : Wenn das BS abstürzt, sollten nicht alle Files verloren gehen. 24

19 Einfache Batch-Systeme Stapelverarbeitung Ein Job besteht aus einem Programm mit Eingabedaten. Mehrere Jobs werden zu Batches zusammengefasst und vom Betriebssystem exekutiert. Keine Interaktion mit Programmierer oder Benutzer während w der Exekution Die Zeit zwischen Abschicken des Jobs und Rückgabe R der Resultate hängt h von folgenden Faktoren ab: Zeit bis das Betriebssystem mit der Exekution des Jobs beginnt. Berechnungsaufwand des Jobs Probleme Jobs nützen n die CPU, Platte und I/O Devices nicht gleichmäß äßig aus. Die CPU ist viel schneller als Platte oder I/O Devices. 25

20 Batch System Ein Batch-System aus den Anfängen ngen des Computerzeitalters 26

21 Multiprogrammed-Batch Batch-Systeme Mehrere Jobs warten auf die Zuteilung der CPU. Das Betriebssystem kann beliebigen Job auswählen, um Auslastung der CPU zu maximieren. Wenn ein Job, dem die CPU zugeordnet ist, auf ein externes Ereignis (z.b. Ende einer I/O Operation) wartet, bekommt ein anderer Job die CPU U vom Betriebssystem zugewiesen. Solange es einen Job gibt, der von der CPU exekutiert werden kann, ist die CPU ausgelastet. Die Auswahl eines bestimmten Jobs für f r die Exekution aus einer Job- Warteschlange nennt man Job-Scheduling Scheduling. Problem: keine Interaktion während w der Job-Exekution Jobs mit langen Laufzeiten und ohne Benutzereingabe eignen sich besonders gut für f Multiprogrammed-Batch Batch-Systeme. 27

22 Time-Sharing Sharing-SystemeSysteme Mehrere Jobs teilen sich die CPU während w die Jobs exekutieren. Interaktion während w Exekution ist möglich. m Z.B. während w ein Benutzer Daten für f r einen bestimmten Job eingibt, kann ein anderer Job exekutiert werden. Interaktive Systeme werden vor allem für f r Jobs verwendet, die kurze Antwortzeiten benötigen. Wichtige Eigenschaften von Time-Sharing Sharing-Systeme: Preemptive und non-premptive Scheduling Prioritäten ten 29

23 Betriebssystemarten Mainframe-BS schnelle E/A, viele Prozesse, Transaktionen Server-BS viele Benutzer gleichzeitig, Netzwerkanbindung Multiprozessor-BS für Parallelrechner PC-BS Echtzeit-BS BS für eingebettete Systeme BS für Chipkarten 30

24 Literatur Operating System Concepts,, Silberschatz, Galvin, Verlag Addison Wesley Modern Operating Systems, Tanenbaum,, Verlag Prentice Hall Operating Systems, Deitel,, Verlag Addison Wesley 31

25 Zusammenfassung BS stellt portable Umgebung zur Verfügung, um Programme zu entwickeln. BS verwaltet Ressourcen, um eine gute Performance und Auslastung des Systems zu erzielen. BS ist selbst ein komplexes Softwaresystem. 32 Evolution von Betriebssystemen: Batch Systeme -> Multiprogrammen Systeme -> > Time Sharing Systeme