1.2 Entwicklungsgeschichte

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Guido Kranz
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1 1.2 Entwicklungsgeschichte Begriff Operating System wurde in den 60er Jahren in den USA geprägt und in Deutschland als Betriebssystem übernommen. Zunächst später dann dazu Stapelbetrieb, Teilnehmerbetrieb, Einplatzsysteme, Client/Server-Betrieb.

2 Hardware Betriebssoftware Beispiele Generation: Lader IBM 704 Röhren Generation: Stapelsysteme mit IBM 7090, Zuse Z 23, Halbleiter Spooling (Bänder, Trommeln, Telefunken TR 4 Platten später auch Platten) Generation: Dateisysteme, virtueller Sp., IBM OS/360, TSS,... Hochintegration Teilnehmersysteme; T.H.E., Multics, Unix (LSI) Datenbanksysteme, Rechnernetze Generation: Personal Computing MS/DOS Höchstintegr. Fenstersysteme Apple Lisa, Mac (VLSI), chips Client/Server-Systeme SunOS 1990 Schnelle Netze Verteilte Betriebssysteme Amoeba Middleware CORBA

Generation: Dateisysteme, virtueller Sp., IBM OS/360, TSS,... Hochintegration Teilnehmersysteme; T.H.E.

3 Perspektive: 2000 Mobile Rechner, eingebettete BS JavaCard allgegenwärtig... Windows/CE 2010 sichere BS? Quantenrechner? QuantenBS? Aktuelle Forschung: Betriebssystem-Familien Persistente Betriebssysteme Sichere Betriebssysteme Middleware

4 1.2.1 Residenter Lader (resident loader) kann als Vorläufer des Betriebssystems gelten Wie kommt mein Programm in den Speicher? Alternativen: manuell eingeben an Tasten- und Schalterfeld Ladeprogramm manuell eingeben und starten: liest Programm z.b. von Lochkarten und entfernt sich zum Schluss selbst Ladetaste betätigen: startet Laden eines selbstladenden Laders und startet diesen Lader wie, aber Lader im Speicher belassen!

Alternativen: manuell eingeben an Tasten- und Schalterfeld Ladeprogramm manuell eingeben und starten:

5 Arbeitsspeicher Residenter Lader 0 freier Speicher 16 K

6 1.2.2 Stapelsystem (batch system) bearbeitet ohne manuellen Eingriff eine Folge von Aufträgen (jobs), die als Lochkartenpakete beim Operateur (operator) abgegeben werden. Es gibt Programmkarten, Datenkarten, Steuerkarten. Steuerkarten enthalten Steuerbefehle in einer Auftragssteuersprache (job control language)

7 Rechner Ausgabe drucken Eingabe lesen

8 Residente Systemsoftware: Lader Ein/Ausgabe-Routinen ( braucht jedes Programm ) Auftragssteuerung (monitor) überprüft jede Karte, erkennt Steuerkarten, veranlasst Auftragswechsel, Laden von Übersetzern, von übersetzten Programmen Auftragsabbruch bei Fehler wird nach Anschalten des Rechners geladen von Urlader (bootstrap loader)

Auftragswechsel, Laden von Übersetzern, von übersetzten Programmen Auftragsabbruch

9 Arbeitsspeicher E/A-Routinen 0 Lader Monitor freier Speicher 128 K

10 Arbeitsspeicher E/A-Routinen 0 Lader Monitor freier Speicher Dienstprogramme auf Magnetband: Übersetzer, Binder, K

11 Eingaberechner Ausgaberechner Durchsatzerhöhung durch Überlappung von Lesen Verarbeiten Drucken (off-line input/output) Verarbeitungs- Rechner

12 Alle drei Aktivitäten von einem Rechner ausführen lassen Spooling (simultaneous peripheral operation on-line) vorzugsweise mit Trommel, später Platte:! Vorstufe von Mehrprozeßbetrieb! Eingabebereich Dienstprogramme Ausgabebereich Benutzerdateien

vorzugsweise mit Trommel, später Platte:!

13 1.2.3 Teilnehmersystem (time-sharing system) An einem Rechner hängen viele Arbeitsplätze, Datenstationen (terminals) (= Tastatur + Druckwerk, später Bildschirm) Benutzer steuert die gewünschten Vorgänge interaktiv mittels Befehlssprache (command language) Ausführung im Mehrprozessbetrieb (Oft auch noch Stapelbetrieb und Teilnehmerbetrieb zugleich.)

Benutzer steuert die gewünschten Vorgänge interaktiv mittels Befehlssprache (command

14 Multiplexer Zentraleinheit mit Teilnehmer- Betriebssystem weitere Peripherie

15 1.3 Architektur von Betriebssystemen Zentrale Aspekte: Schichtenstruktur Monolithischer Kern oder Mikrokern aufrufbasiert oder auftragsbasiert Objektorientierung

16 1.3.1 Schichtenstruktur Eine Schicht (layer) des Betriebssystems ist zuständig für Verwaltung eines Betriebsmitteltyps, benutzt andere Schichten (durch Aufrufe), wobei benutzt eine lineare Ordnung ist; man sagt auch: die Schichten bilden eine funktionale Hierarchie.

andere Schichten (durch Aufrufe), wobei benutzt eine lineare

17 1.3.1 Schichtenstruktur Eine Schicht (layer) des Betriebssystems ist zuständig für Verwaltung eines Betriebsmitteltyps, benutzt andere Schichten (durch Aufrufe), wobei benutzt eine lineare Ordnung ist; man sagt auch: die Schichten bilden eine funktionale Hierarchie.. Schicht 3 Schicht 2 Schicht 1 Hardware Schicht n benutzt die Schichten n-1, n-2,...

benutzt eine lineare Ordnung ist; man sagt auch: die Schichten bilden eine funktionale

18 Andere äquivalente Betrachtungsweise: an der Schnittstelle von Schicht 1 sieht man eine abstrakte Maschine (abstract machine), die nicht mehr mit der realen Maschine (Hardware) identisch ist, d.h. Teile von deren Funktionalität verbirgt und dafür neue Funktionalität hinzufügt entsprechend für Schicht 2,3,..

19 Andere äquivalente Betrachtungsweise: an der Schnittstelle von Schicht 1 sieht man eine abstrakte Maschine (abstract machine), die nicht mehr mit der realen Maschine (Hardware) identisch ist, d.h. Teile von deren Funktionalität verbirgt und dafür neue Funktionalität hinzufügt entsprechend für Schicht 2,3,... Schicht 3 Schicht 2 Schicht 1 Hardware Systemschnittstelle abstrakte Maschine 3 abstrakte Maschine 2 abstrakte Maschine 1 reale Maschine

20 Historisches Beispiel: Einführung des Schichtenprinzips durch T.H.E. (Technische Hogeschool Eindhoven, Dijkstra 1967) Stapelsystem für die Electrologica X8 5 Benutzerprogramme 4 E/A-Verwaltung (Lochstreifen, Drucker) 3 Konsolverwaltung (Operateur-Konsole) 2 Speicherverwaltung (Arbeitsspeicher, Trommel) 1 Prozeßverwaltung 0 Hardware

(Technische Hogeschool Eindhoven, Dijkstra 1967) Stapelsystem für die Electrologica

21 Typische Schichtung heutiger Betriebssysteme: 6 Befehlsinterpretierer Benutzerprogramme 5 Fenstersystem Middleware 4 E/A-Verwaltung Netzkommunikation 3 Dateiverwaltung 2 Speicherverwaltung 1 Prozeßverwaltung 0 Hardware

22 Verwandter Begriff: Virtuelle Maschine (virtual machine, VM) = komplett simulierte reale Maschine Mehrere Exemplare einer VM auf einer realen Maschine Koexistenz mehrerer Betriebssysteme möglich Beispiele: CP simulierte IBM 360/370 (1969) bochs simuliert Intel x86 vmware simuliert Intel x86

23 1.3.2 Kern oder Mikrokern Monolithischer Kern (kernel): das gesamte Betriebssystem (im engeren Sinn) ist in einem Adressraum untergebracht, der auch häufig im Ganzen speicherresident gehalten wird. Mikrokern (microkernel): das Betriebssystem ist auf verschiedene Adressräume aufgeteilt, daher leicht erweiterbar und partiell auslagerbar; keine fest definierte Systemschnittstelle mehr; Mikrokern verwaltet Benutzer- und System-Adressräume.

24 1.3.3 Aufruf- oder auftragsbasiert Zur Erinnerung: aufrufbasiert: Diensterbringer ist Prozedur/Modul/Objekt und wird vom Klientenprozess mit Aufruf angesprochen auftragsbasiert: Diensterbringer ist Prozess und wird vom Klientenprozess mit Auftragserteilung angesprochen

25 Bei Betriebssystemen: Dienst ist ein Systemdienst, entweder an der Systemschnittstelle oder an einer systeminternen Schnittstelle Aufrufbasierte Systeme: Prozess wandert durch verschiedene Adressräume dynamische Prozesserzeugung für asynchrone Dienste Auftragsbasierte Systeme: Adressraumwechsel nur bei Prozessumschaltung Diensterbringung in der Regel asynchron

26 1.3.4 Objektorientierung bei Betriebssystemen Implementierung eines Betriebssystems: Assembler war lange gebräuchlich (bis etwa 1970) Systemimplementierungssprache (C, Modula,...) Schicht besteht aus mehreren Modulen, aber ein Modul kann sich auch über mehr als eine Schicht erstrecken objektorientierte Sprache (C++) höhere Schicht kann Klasse aus tieferer Schicht erweitern

27 Objektorientierung an der Systemschnittstelle: Betriebssystem verwaltet Systemtypen (z.b. Prozess, Semaphor, Datei, Port,...), von denen Objekte erzeugt werden können (die im Adressraum des Betriebssystems liegen) Betriebssystem verwaltet ausschließlich Typen und Objekte, auch für die Benutzerprogramme unterstützt durch entsprechende Adressraum-Strukturierung Beachte: Das Objektmodell eines objektorientierten Betriebssystems ist programmiersprachenunabhängig

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