SS 2007 Version vom 21.03.2007

Praktikum: Abdellaoui, Adrian, Debusmann, Schäfer, Weber Organisation Leitung: H. Weber Praktikum: Abdellaoui, Adrian, Debusmann, Schäfer, Weber Vorlesung: Do, 7.45 - 10.15 (3 Stunden V, inkl. Pause) Praktikumsgruppen : 3-stündig PL/SL : Klausur am Semesterende Praktikum: 2 bewertete (live) Aufgaben (je 40 %) und weitere 5 Aufgaben (je 2%), mündlicher Anteil (5%), Praktikumsordner (5%) Übersicht

Literatur I R. Brause, Betriebssysteme – Grundlagen und Konzepte, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2001 A.S. Tanenbaum, Moderne Betriebssysteme, 2. Auflage, Pearson-Verlag 2002 C. Vogt, Betriebssysteme, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001 J. Nehmer, P. Sturm, Systemsoftware – Grundlagen moderner Betriebssysteme, dpunkt-Verlag, Heidelberg 1998 A. Silberschatz, P. Gavin, G. Gagne, Applied Operating Systems Concepts, John Wiley&Sons, New York 2000 Übersicht

W. Stallings, Operating Systems, Prentice Hall, New Jersey 1998 Literatur II W. Stallings, Operating Systems, Prentice Hall, New Jersey 1998 G. Nutt, Operating Systems, Addison-Wesley, Reading 2000 L. Bic, A. Shaw, Betriebssysteme, Hanser-Verlag, 1988 E. Glatz, Betriebssysteme Grundlagen, Konzepte, Systemprogrammierung, dpunkt-Verlag, 2005 R.A. Finkel, An Operating Systems Vade Mecum, Prentice Hall – bei uns als PDF-File vorhanden H. Weber, Praktische Systemprogrammierung, Vieweg, Wiesbaden 1998 Übersicht

Prozeßsynchronisation Speicherverwaltung Dateiverwaltung Inhalt der Vorlesung Übersicht Prozesse Prozeßsynchronisation Speicherverwaltung Dateiverwaltung Ein- und Ausgabeverwaltung Verteilte Systeme Übersicht

Kap. 1 Übersicht

Einleitung: Was ist ein Betriebssystem Betriebssystemschichten Kap. 1 - Inhalt Einleitung: Was ist ein Betriebssystem Betriebssystemschichten Schnittstellen und virtuelle Maschinen Geschichte Aufbau von Betriebssystemen Rechnerarchitekturen Wichtige Konzepte Übersicht

Betriebssystem-Zoo Übersicht

Was ist ein Betriebssystem ? Einleitung I Was ist ein Betriebssystem ? * die Gesamtheit der Programmteile, die die Benutzung von Betriebsmitteln steuern und verwalten * die Software (Programmteile), die für den Betrieb eines Rechners anwendungsunabhängig notwendig ist * virtuelle Maschine, die dem Benutzer Abstraktionen der Hardware zur Verfügung stellt, die wesentlich einfacher zu benutzen sind Die erste Definition zielt auf die Verwaltung von Betriebsmitteln, die zweite auf den Aspekt einer historisch gewachsenen Umgebung. Die zweite ist zwar wirlichkeitsnäher, enthält aber auch viele unklare Begriffe. Was heißt „anwendungsunabhängig“? Es gibt keinen anwendungsunabhängigen Betrieb eines Rechners. Gemeint ist also eine Schnittmenge von Programmteilen von allen wichtigen Anwendungen. Was heißt „notwendig“? Sind Fenster und Mäuse notwendig? Dies ist subjektiv. Übersicht

Definition (Betriebssystem): Einleitung II Definition (Betriebssystem): Ein Betriebssystem ist ein Programmsystem, das alle Betriebsmittel eines Rechensystems verwaltet und ihre Zuteilung kontrolliert und den Nutzern des Rechensystems eine virtuelle Maschine offeriert, die einfacher zu verstehen und zu programmieren ist als die unterlagerte Hardware. Übersicht

Betriebssystemschichten I benutzt Benutzer Benutzerprogramm Maschinenhardware Betriebssystem Übersicht

Betriebssystemschichten II Schichtenmodell Zwiebelschalenmodell HW User 1 User 2 User 3 Compiler Editor ... Spiele Betriebssystemdienste Hardware Die Benutzungsrelationen kann man visualisieren. Das Schichtenmodell betont stärker den Aspekt eine Basis und des Aufbaus darauf, das Zwiebelschalenmodell die Aspekte der Abgeschlossenheit und Sichtbarkeit. Alle Aspekte sind wichtig; benutzt wird aber meist das Schichtenmodell. Zwischen den Schichten gibt es Kommunikation: die genaue Beschreibung wird durch „Schnittstellen“ vollführt. Übersicht

Betriebssystemschichten III Systemsoftware versus Anwendersoftware Das Betriebssystem ist der Teil der Software, die normalerweise im Kernmodus oder Supervisormodus ausgeführt wird Die Anwendungsprogramme (Compiler, Editor, E-Mail-Programm etc.) werden im Benutzermodus ausgeführt Übersicht

Schnittstellen & virt. Maschinen I SCSI-Operationen fur Festplatten: FORMAT UNIT RECOVER DATA VERIFY INQUIRY RECOVER ID WRITE MODE SELECT RELEASE UNIT WRITE AND VERIFY MODE SENSE REQUEST SENSE WRITE BUFFER NO OPERATION RESERVE UNIT WRITE EXTENDED PRIORITY RESERVE REZERO UNIT WRITE LONG READ SEEK WRITE SAME READ BUFFER SEEK EXTENDED ..... READ CAPACITY SEND DIAGNOSTIC READ DEFECT DATA SET LIMITS READ EXTENDED START/STOP UNIT READ LONG TEST UNIT READY REASSIGN BLOCKS RECEIVE DIAGN. RESULTS Wer will schon mit dieser Schnittstelle Informationen langfristig speichern und zugreifen wollen ?!? Übersicht

Schnittstellen & virt. Maschinen II Eine Schnittstelle besteht aus Daten sowie Funktionen bzw. Methoden dafür (Objekte) Protokolle für die Benutzung der Funktionen und Daten, mit denen das Objekt Dienstleistungen erbringt (Exportschnittstelle) Die Implementierung benötigt dazu Daten, Funktionen und Protokolle für die Dienstleistungen, die sie zur Erfüllung benötigt (Importschnittstelle). Virtuelle Maschinen Übersicht

Schnittstellen & virt. Maschinen III Schicht 3 Zeit Schicht 2 Zusätzlich zu dem Aspekt der Schnittstellen kommt für eine VM einer sequentiellen Maschine auch die Zeit hinzu: die Dienstleistung wird als Sequenz von Dienstleistungen unterer Schichten (VM) erbracht. Schicht 1 Übersicht

Schnittstellen & virt. Maschinen IV – Virt. CPU Software-Hardware-Migration durch virtuelle CPU Programm in Java-Code Programm in Java-Code Java-Code / Maschinencode Microcode- CPU- Hardware und CPU-Hardware Übersicht

Beispiel: Festplattenspeicher Schnittstellen & virtuelle Maschinen V - virtuelle logische, physikalische Geräte Beispiel: Festplattenspeicher Kontrolle Daten Virtuelles Gerät log. Gerät 1 log. Gerät 2 phys. Gerät 1 Treiber 1 Gerät 2 Treiber 2 Treiber für log. Geräte virtuelles Gerät = logisches Gerät +Verwaltungstreiber logisches Gerät = physikalisches Gerät + HW-Treiber. In obiger Zeichnung sind mehrere Geräte durch VM in Zwiebelschalenform zusammengefaßt. Bei Geräten gibt es historisch auch die Bezeichnung „log.Gerät“ für eine VM im Unterschied zu Phys. Geräten. Übersicht

Gliederung (parallel zu Rechnergenerationen): Geschichte I Gliederung (parallel zu Rechnergenerationen): 1. Generation (1945-1955): Röhren und Steckkarten 2. Generation (1955-1965): Transistoren und Stapelverarbeitung 3. Generation (1965-1980): ICs und Mehrprogrammbetrieb 4. Generation (1980-1990): Personal Computer und Netzwerkbetriebssysteme 5. Heute Übersicht

USA: H. Aiken (Harvard), J. v. Neumann (Princeton) u.a. Geschichte II 1. Generation (1945-1955): USA: H. Aiken (Harvard), J. v. Neumann (Princeton) u.a. Deutschland: Konrad Zuse Eine Gruppe von Personen kümmert sich um Entwurf, Bau, Programmierung, Operating und Wartung jedes einzelnen Rechners. Programmierung durch Verdrahtung von Steckkarten oder in absoluter Maschinensprache (Programmiersprachen unbekannt). Nutzung fur numerische Berechnungen. Ab Anfang der 50er Jahre Benutzung von Lochkarten. Betriebssysteme unbekannt. Übersicht

Geschichte III 2. Generation (1955-1965): Nach Einfuhrung von Transistoren werden Rechner zuverlässig genug, um an Kunden verkauft zu werden. Unterscheidung zwischen Entwicklern, Herstellern, Operateuren, Programmierern und Wartungspersonal. Zunächst Ausfuhrung einzelner Jobs in Form von Lochkartenstapeln mit hohem Anteil manueller Arbeiten. Rationalisierung des Operating durch Einfuhrung des Stapelbetriebs (Batch-System): Übersicht

Geschichte IV - Batch-System bringt Kartenstapel zur 1401 kopiert Karten auf Band bringt Eingabeband auf 7094, die Berechnung ausführt bringt Ausgabeband zur 1401, die den Output ausdruckt Übersicht

Geschichte V Die Steuerkarten waren Vorläufer der heutigen Kommandosprachen, die Monitore Vorläufer der heutigen Betriebssysteme Übersicht

ICs und Multiprogramming Timesharing-Betrieb Zugriff über Terminals Geschichte VI 3. Generation (1965-1980): ICs und Multiprogramming Timesharing-Betrieb Zugriff über Terminals Multics UNIX Übersicht

Netzwerke zur Kommunikation und Kooperation. Geschichte VII 4. Generation (1980-1990): Personal Computer als Individuen zugeordnete Werkzeuge (= Workstation). Netzwerke zur Kommunikation und Kooperation. getrieben durch LSI und VLSI- Entwicklung, preiswert, aber leistungsstark wie Minirechner bzw. Großrechner. hohe Graphikfähigkeit führt zu benutzerfreundlichen Oberflächen Marktdominierende Betriebssysteme: MS- DOS und UNIX. Netzwerkbetriebssysteme erlauben Zugang zu anderen Rechnern, Dateitransfer, gemeinsame Benutzung von Informationen (z. B. TCP/ IP Netzwerk Utilities, Novell Netware, Network File System) Übersicht

Neue Anwendungen gekennzeichnet durch: Geschichte VIII 5. Heute: Neue Anwendungen gekennzeichnet durch: steigende Komplexität und neue geforderte Funktionalitäten: Verteiltheit (Client/ Server), Offenheit, Heterogenität, Skalierbarkeit "Cooperative Computing" Sicherheit (Security) Realzeitfähigkeit Fehlertoleranz / Robustheit Multimedia WWW- Anbindung Übersicht

Aktuelle Entwicklungsrichtungen: Geschichte IX Aktuelle Entwicklungsrichtungen: Verteilte Betriebssysteme Multiprozessing Standardisierung von Schnittstellen Mehrere BS-Schnittstellen auf einem Rechner Konfigurierbarkeit Realzeitfähigkeit Administration grosser Netzwerke Multimediaunterstützung Erhöhung der Sicherheit Übersicht

Welche Betriebssysteme haben Sie benutzt? ... Heute: Geschichte X - Fragen Gestern: Welche Betriebssysteme haben Sie benutzt? ... Heute: Welche Betriebssysteme benutzen Sie ? Welche Systeme sind nützlich für diese LV? Übersicht

Aufbau I - Unterschiedliche Arten von BSn Mainframe-Betriebssysteme Server-Betriebssysteme Multiprozessor-Betriebssysteme PC Betriebssysteme Echtzeit-Betriebssysteme Betriebssysteme für eingebettete Systeme Betriebssysteme für Chipkarten Übersicht

Aufbau II - Betriebssystemgliederung Benutzerschnittstelle textuelle und graphische Interaktion mit dem Benutzer Dienstprogramme, Werkzeuge oft benutzte Programme wie Editor, Linker, ... Übersetzungsprogramme Interpreter, Compiler, Translator, .. Organisationsprogramme Speicher-, Prozessor-, Geräte-, Netzverwaltung Was sind nun die Programmteile für einen „anwenderunabhängigen“ Betrieb? Übersicht

Aufbau III - Benutzerschnittstelle Ein Blick auf die Benutzerschnittstelle: 1. Benutzeroberfläche (Kommandointerpreter, Grafische Oberflächen) einschließlich der Schnittstellen zu Dienstprogrammen (Tools) wie etwas Editoren, Übersetzer (Compiler), Binder (Linker), ... 2. Bibliotheksschnittstellen (Standardbibliotheken und spezielle Bibliotheken), zur Programmierung benutzt. 3. Betriebssystemdienst-Schnittstelle enthält Systemaufrufe (system calls), d.h. „erweiterte Befehle“ = Operationen zum Umgang mit den Abstraktionen, die der Kern offeriert. Wesentliche Kernabstraktionen: Prozesse (processes) = Programme in Ausführung, damit verbunden Mechanismen zur Prozess-Synchronisation und –Kommunikation Dateien (files) , damit verbunden Dateisysteme (file systems) und Verzeichnisse (directories) IO-Geräte (devices) Übersicht

Aufbau IV - Typischer Betriebssystemaufbau ¼ Benutzer 1 Benutzer N Benutzeroberfläche User Interface Management System Anwen - Dienst- ¼ Werk- dung 1 programm zeug Systemaufruf Betriebssystemkern Die Programmteile sind nicht lose zusammengefaßt, sondern Teil einer Gesamtarchitektur, dargestellt als Schichtenmodell. Operating System Kernel Maschinencode Hardware Übersicht

Aufbau V - Der Betriebssystemkern Aufruf mittels Traps (Falltüren) Der Kern wird mittels eines „Trap“-Mechanismus (Falltür) aufgerufen. Dabei wird eine Zahl, die Nummer des Eingangs, angegeben. Sie bezeichnet die Funktion, die gewünscht wird. Nachdem die Funktion erfüllt wurde, verläßt der Prozeß den Kern wieder und arbeitet normal weiter, sofern keine Probleme im Kern aufgetreten sind. Eingang Ausgang Übersicht

Aufbau VI - Systemaufrufe: Traps und Interrupts Synchrone, indirekte Methodenaufrufe (Traps) ... Move A,R1 Tabelle von Interruptvektoren Trap 7 Move R1, A Adr 0017 Status PS der ISR 8 Adr 0016 Adresse PC der ISR 8 Adr 0015 Status PS der ISR 7 Adr 0014 Adresse PC der ISR 7 Adr 0013 Status PS der ISR 6 Adr 0012 Adresse PC der ISR 6 Asynchrones HW-Interrupt-Signal 7 Wie werden die Systemaufrufe durchgeführt? ISR = Interrupt Service Routines = Treiber PS = Processor Status Word (prio, mode,..) Übersicht

Aufbau VII - Aufruf des Betriebssystemkerns Programm- Programm- instruktionen instruktionen Interrupt {PC+1, PS= user mode } ® stack return from interrupt BS ® PC, kernel mode ® PS stack ® {PC, PS= user mode } Betriebssystem- kerndienste BS : Bootstrap Umschaltung vom Usermodus in Kernmodus und zurück !! Übersicht

Aufbau VIII - UNIX-Betriebssystemkern Multi-User Benutzer- Benutzer- ¼ Multi-programming Shell 1 Shell 2 Benutzer- System- System- ¼ Programm 1 Programm 1 Programm 2 user mode kernel mode Überprüfbare Schnittstelle und Funktionsverte i lung Speicher- Serielle Ein/Ausgabe Dateisystem verwaltung Prozess- Dis- Platte manage - TTY Drucker Maus Netz play Floppy ment Hardware Implementierungsunabhängige Schnittstellen: Portable Operating System Interface based on UniX Übersicht

Aufbau IX - UNIX Systemsoftware I Systemprogramme ar build & maintain archives cat concatenate filesstandard out cc compile C program chmod change protection mode cp copy file echo print argument grep file search including a pattern kill send a signal to a process Übersicht

Aufbau X - UNIX Systemsoftware II ln link a file lp print a file ls list files and directories mv move a file sh start a user shell tee copy standard in to standard out and to a file wc word count Übersicht

Aufbau XI – Monolitisches System Übersicht

Aufbau XII – Geschichtetes System Struktur des THE Betriebssystems Übersicht

Aufbau XIII – Virtuelle Maschinen Struktur von VM/370 mit CMS Übersicht

Aufbau XIV – Client-Server Modell Übersicht

Aufbau XV – Client-Server Modell in einem verteilten System Übersicht

Aufbau XVI – Bsp.: MACH- Betriebssystemkern Mach-Kern Benutzer- File Speicher Terminal programm Manager Manager I/O user mode kernel mode Scheduler, Nachrichtenübermittlung, Basic I/O, Speicherobjekte Hardware Mikrokern Vorteile: minimaler Kern, alle Funktionen modularisiert austauschbar Nachteile: Kommunikationsdauer zwischen Managern Übersicht

Aufbau XVII – Bsp.: Windows NT - Anforderungen kompatibel zu vorhandenen Systemen Unix, DOS, .. zuverlässig und robust leichte Portierbarkeit leicht veränderbar und anpassungsfähig leistungsstark  Geht das überhaupt ? Übersicht

Aufbau XVIII – Bsp.: Windows NT - Lösungen Kompatibilität pro emuliertes BS ein extra Subsystem (Server), von Kunden (Clients) durch Nachrichten (local procedure calls LPC) angefordert. Sie setzen auf Dienstleistungen der NT Executive (Syscalls) auf. Robustheit Trennung der Programmablaufumgebungen (virt. Maschinen), kein direkter Hardwarezugriff fehlertolerantes Dateisystem, Netzdienste, Portierbarkeit In C geschriebene Module, auf Hardwaremodell aufsetzend Übersicht

Aufbau XIX – Bsp.: Windows NT - Betriebssystemkern Security Win32 POSIX POSIX OS/2 OS/2 Win/DOS Logon Subsy s - Subsy s - Subsy s - Client Subsy s - Client Client tem tem tem tem user mode kernel m o de Systemdienste Object Process Local Memory Security I/O Manager Manager Proc. Calls Manager Monitor S y stem Kernel Hardware Abstraction Layer HAL Hardware Übersicht

Rechnerarchitekturen I Einprozessorsystem BS- Nutzer 1 ... Nutzer n Kern Programm Programm Hauptspeicher Massen - speicher Programme Prozessor Daten Bis max. N (~ 16) CPUs erweiterbar. Problem: Speicherzugriff (Systembus) Übersicht

Rechnerarchitekturen II Multiprozessorsystem ¼ P P P 1 2 n Verbindungsnetzwerk „Tanzsaal “ Arbeitsspeicher ... BS- Nutzer 1 Nutzer n Vorteile: Schnelle Kopplung Keine Speicher-Zugriffsbeschränkung Einfache Implementierung globaler Variablen Nachteile: Zugriffsbehinderung bei vielen Prozessoren („hot spots“): globale Variable Mögliche Datenkorruption bei defekten Prozessoren Möglicher Systemausfall bei Ausfall eines Speichermoduls Kern Programm Programm Problem: Performance-Einbussen bei häufigen Speicherzugriffen Übersicht

Rechnerarchitekturen III Mehrrechnersystem BS- Kern Nutzer 1 Pr o gramm P 1 ¼ n Nutzer Programm Arbeitsspeicher Verbindungsnetzwerk „Vorzimmer “ Vorteile: Schneller lokaler Speicherzugriff Programmiermodell ist skalierbar Begrenzte Fehlerfortpflanzung Hohe Fehlertoleranz möglich Nachteile: Externer Datenzugriff über Nachrichten dauert länger Umständliche Implementierung globaler Variablen Übersicht

Rechnerarchitektur IV Rechnernetz Verbindungsnetzwerk LAN, WAN P 1 ¼ n BS- Kern Nutzer 1 Pr o gramm Nutzer Programm Übersicht

Wichtige Konzepte I Prozesse Dateien Systemaufrufe Shells Übersicht

Prozeß : Programm in seiner Ausführung Konzepte II - Prozesse Prozeß : Programm in seiner Ausführung Prozess-Baum A hat zwei Kind-Prozesse B and C erzeugt B hat drei Kind-Prozesse D, E, und F erzeugt Übersicht

Konzepte III - Dateissytem Übersicht

Konzepte IV – Mounten von Dateisystemen Vor dem Mounten, Files auf Floppy sind nicht benutzbar Nach dem Mounten der Floppy auf b, Files auf Floppy sind Teil der Filehierarchie Übersicht

Konzepte V - Systemaufrufe Es gibt 11 Schritte beim Ausführen des Systemaufrufs read (fd, buffer, nbytes) Übersicht

Konzepte VII – Systemcalls für File Management Übersicht

Konzepte VII – Directory Management Übersicht

Konzepte IX - Verschiedene Übersicht

Konzepte X – UNIX/Windows32 - Systemaufrufe Übersicht

Konzepte XI – Eine kleine Shell while (TRUE) { /* repeat forever */ type_prompt( ); /* display prompt */ read_command (command, parameters) /* input from terminal */ if (fork() != 0) { /* fork off child process */ /* Parent code */ waitpid( -1, &status, 0); /* wait for child to exit */ } else { /* Child code */ execve (command, parameters, 0); /* execute command */ } Übersicht