Grundlagen Betriebssysteme at TU München

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Ein-/Ausgabegeräte:

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Konzepte von BS:

 

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BS als Dienstprogramm

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Speicher:


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Dateien


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Betriebssystem-Modi


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Konzepte von BS:


Klassifikation von Ressourcen:

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Monolithische Systeme

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Betriebsarten des BS 

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Grundlagen Betriebssysteme

Ein-/Ausgabegeräte:

• Bestehen aus Controller und Gerät
• Controller als Schnittstelle zum Betriebssystem
• Software zur Steuerung: Treiber der in das Betriebssystem integriert wird
• Alle Geräteregister bilden zusammen Namensraum der Ein-/Ausgabeports
• Verschiedene Arten der Ein-/Ausgabe:
• Aktives Warten: Systemaufruf von Benutzerprogramm → Prozeduraufruf für Treiber →
Ein/Augabeprozess → Schreiben der Daten → Kontrolle an Betriebssystem
• Treiber startet Gerät → Gerät sendet bei Beendigung Interrupt; Aufrufendes Programm wird
bis Interrupt gesperrt
• DMA-Chip ermöglicht Datenfluss zwischen Speicher und Controller ohne CPU → bei
Beendigung: Interrupt

Grundlagen Betriebssysteme

Konzepte von BS:

 

- Ressourcen (Betriebsmittel) und ihre Klassifikation

- Prozess als Abstraktion des Prozessors 

- Datei als Abstraktion des Speichers 

- Betriebssystem modi

- Systemaufrufe als Schnittstelle zwischen Anwendungsprogramm und Betriebssystem

Grundlagen Betriebssysteme

BS als Dienstprogramm

BS als Dienstprogramme, die Zugriff auf Hardware erleichtern, müssen effizient und hardware-nah

programmiert sein → Auf Hardware nur Maschinenprogramme ausführbar; hardwarenahe

Programmierung fehleranfällig → abstrakte maschinennahe Ebene: Assembler

• Maschinenschnittstelle/Instruction Set Architecture (ISA): Befehlssatz eines Prozessors → Menge der

Maschinenbefehle

• Assembler: maschinennahe Programmiersprache, an ISA der Zielarchitektur angelehnt → Vereinfachte

Nutzung der ISA; wird oft auch als Systemprogramm bezeichnet

Grundlagen Betriebssysteme

Speicher:


• Register
• Cache (L1-Cache innerhalb der CPU und L2-Cache
• Arbeitsspeicher (=RAM und ROM (verliert Inhalt nicht bei Abschaltung))
• Festplatte (Schreib/Leseköpfe lesen Spur; Spuren auf allen Platten bilden Zylinder) oder SSD
• In Unix teilt jeder Prozess seinen Speicher in drei Segmente auf: Textsegment (für Programmcode),
Datensegement (für Variable), Stacksegment

Grundlagen Betriebssysteme

Konzepte von BS: 

Dateien


• Everything is a file (Dateien und Verzeichnisse, Ein-/Ausgabegeräte, Pipes, Systemzustand
• Gemeinsame Abstraktion durch das Betriebssystem
• Können in Verzeichnissen gruppiert werden → Systemaufrufe zur Erzeugung und
Verschiebung
• Datei kann über Pfadnamen angesprochen werden
• Dateisysteme können über mount-Systemaufruf in Verzeichishierarchie des Computers
aufgenommen werden
• Jede Datei besitzt in Unix eindeutige Nummer zur Identifikation → I-Nummer → Index in
Tabelle mit I-Nodes
• Über Link kann neuer Verzeichniseintrag mit bereits bestehender I-Nummer erzeugt
werden

Grundlagen Betriebssysteme

Konzepte von BS: 

Betriebssystem-Modi


• Betriebssystem soll vor Programmierfehlern und Angriffen geschützt werden
• Unterschiedliche Berechtigungen durch Arbeitsmodi
• Benutzermodus
• Zugriff auf Hardware nur über Betriebssystem
• Keine Ein-/Ausgabe
• Kein oder nur lesender Zugriff auf Systemcode oder Daten
• Zugriff nur auf virtuelle Adressen
• Systemmodus
• Privilegierter Modus → alle ausführbaren Maschinenbefehle z.B. Hardware
Zugriff

• Exklusiver Zugriff auf Systemcode und Daten

Grundlagen Betriebssysteme

Konzepte von BS:


Klassifikation von Ressourcen:

• Anzahl der Nutzungen
• Parallelität (uneingeschränkt, Exklusivität, beschränkt parallel)
• Dauerhaftigkeit (Unterbrechbar/Ununterbrechbar)
• Zentrale Ressourcen (Prozessoren, Arbeitsspeicher)
• Periphere Ressourcen (Kommunikations- und Speichereinheiten

Grundlagen Betriebssysteme

Monolithische Systeme

• BS mit umfangreicher Menge von Funktionen die in BS-Kern zusammengefasst sind
• BS wird als großes Programm ausgeführt
• Konsequenzen
• Sehr flexibel (Prozeduren können sich gegenseitig Aufrufen)
• Unübersichtlich, keine Struktur, Wartung problematisch
• Wenig resilient
• Eigenschaften
• Betriebssystem vollständig im Kernmodus
• Hohe Ablaufpriorität des BS-Kerns
• Kern permanent im Arbeitsspeicher
• Varianten:
• Modularität: Laden von neuen Modulen, die Funktionalität erweitern
• Portierbarkeit: Übertragung von Software auf andere Hardware
• Geschichtete Systeme (Layers)

Grundlagen Betriebssysteme

Betriebsarten des BS 

• Stapelverarbeitung (batch processing): Komplette Definition des Programms vor Start, keine
Nutzer-Interaktion
• Dialogbetrieb (time sharing): Interaktion mit Nutzer die (G)UIs erfordert
• Transaktionsbetrieb (transaction system): ACID-Kriterien (Atomarität, Konsistenz, Isolation,
Dauerhaftigkeit)
• Echtzeitbetrieb (real time system): hard deandlines vs. soft deadlines

Grundlagen Betriebssysteme

CPU

• holt Befehle aus Speicher und führt sie aus
• hat Menge an Befehlen die sie ausführen kann
• besitzt interne Register, die Variablen und temporäre Ergebnisse innerhalb der CPU speichern
können
• Spezielle Register
• Befehlszähler enthält Speicheradresse des nächsten Befehls
• Stackpointer: Zeigt auf Ende des Stacks
• Programmstatuswort: Statusbits, die bei Vergleichsoperationen gesetzt werden, CPU-
Priorität und Auführungsmodus
• Alle Register müssen bei Stopp eines Programms gespeichertw werden
• Kann Pipeline haben → während Befehl ausgeführt wird können andere Befehle schon dekodiert
• Superskalare CPU → Befehle werden geholt, decodiert und in Puffer abgelegt

Grundlagen Betriebssysteme

System-Software:

Programme, die Dienste für (Anwendungs-)Programme anbieten, auf effiziente
Ausführung optimiert (z.B. Betriebssysteme, Geräte-Treiber, Compiler, Linker, Loader)

Grundlagen Betriebssysteme

Interrupts:

• Nach Beendigung der Aufgabe Signal an Interrupt-Controller über Busleitungen
• Falls Controller bereit für Signal → Nachricht an CPU über Pin
• Controller legt Nummer des Geräts auf Bus → Prozessor kann feststellen, welches Gerät fertig
geworden ist
• CPU kann Interrupts blockieren und wieder aktivieren → solange sendet Gerät Interrupt
fortwährend
• Priorisierung von Interrupts durch CPU möglich

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